8.1: Що таке метр?
- Page ID
- 101397
Лічильник - це будь-який пристрій, побудований для точного виявлення та відображення електричної величини у формі, яку читає людина. Зазвичай ця «читабельна форма» є візуальною: рух покажчика на шкалі, серія вогнів, розташованих таким чином, щоб утворювати «барграф», або якийсь дисплей, що складається з числових фігур. При аналізі та тестуванні ланцюгів існують лічильники, призначені для точного вимірювання основних величин напруги, струму та опору. Існує також багато інших типів лічильників, але ця глава насамперед охоплює конструкцію та експлуатацію основних трьох.
Більшість сучасних лічильників є «цифровими» за конструкцією, що означає, що їх читабельне відображення має форму числових цифр. Старі конструкції лічильників мають механічну природу, використовуючи якийсь покажчик, щоб показати кількість вимірювань. У будь-якому випадку принципи, що застосовуються при адаптації блоку дисплея до вимірювання (відносно) великих величин напруги, струму або опору, однакові.
Механізм відображення лічильника часто називають рухом, запозичуючи від його механічної природи для переміщення покажчика вздовж шкали, щоб можна було зчитувати виміряне значення. Хоча сучасні цифрові лічильники не мають рухомих частин, термін «рух» може застосовуватися до того ж основного пристрою, що виконує функцію відображення.
Дизайн цифрових «рухів» виходить за рамки цієї глави, але механічні конструкції руху лічильника дуже зрозумілі. Більшість механічних рухів засновані на принципі електромагнетизму: що електричний струм через провідник створює магнітне поле перпендикулярно осі потоку електронів. Чим більше електричний струм, тим сильніше виробляється магнітне поле. Якщо магнітному полю, утвореному провідником, дозволяється взаємодіяти з іншим магнітним полем, між двома джерелами полів буде генеруватися фізична сила. Якщо один з цих джерел вільно рухатися по відношенню до іншого, він буде робити це, оскільки струм проводиться через провід, рух (як правило, проти опору пружини) пропорційний силі струму.
Перші побудовані метрові рухи були відомі як гальванометри і, як правило, розроблялися з максимальною чутливістю на увазі. Дуже простий гальванометр може бути виготовлений з намагніченої голки (наприклад, голки з магнітного компаса), підвішеної до струни, і розташованої всередині котушки дроту. Струм через дротяну котушку буде виробляти магнітне поле, яке відхилить голку від вказівки у напрямку магнітного поля землі. Античний струнний гальванометр показаний на наступній фотографії:
Такі прилади були корисними свого часу, але мають мало місця в сучасному світі, окрім як proof-of-concept і елементарних експериментальних пристроїв. Вони дуже сприйнятливі до руху будь-якого виду, і до будь-яких порушень в природному магнітному полі землі. Тепер термін «гальванометр» зазвичай відноситься до будь-якої конструкції електромагнітного руху лічильника, побудованого для виняткової чутливості, і не обов'язково сирого пристрою, такого як показано на фотографії. Практичні рухи електромагнітного лічильника можна робити зараз, коли котушка поворотного дроту підвішена в сильному магнітному полі, захищеному від більшості зовнішніх впливів. Така конструкція приладу, як правило, відома як постійний магніт, рухома котушка або рух PMMC:
На малюнку вище, рух лічильника «голка» показано, вказуючи десь на 35 відсотків повномасштабного, нуль заповнений ліворуч від дуги, а повномасштабний - повністю праворуч від дуги. Збільшення вимірюваного струму змусить голку вказувати далі вправо, а зменшення призведе до того, що голка опуститься назад до своєї точки спокою зліва. Дуга на дисплеї лічильника позначена цифрами, щоб вказати значення вимірюваної кількості, незалежно від того, що це кількість. Іншими словами, якщо потрібно 50 мікроампер струму, щоб привести голку повністю вправо (що робить це «50 мкА повномасштабним рухом»), шкала б мала 0 мкА, написану на самому лівому кінці, і 50 мкА в самому правому, 25 мкА позначається посередині шкали. Цілком ймовірно, шкала буде розділена на набагато менші випускні позначки, ймовірно, кожні 5 або 1 мкА, щоб дозволити тому, хто переглядає рух, зробити висновок про більш точне читання з положення голки.
Рух лічильника матиме пару металевих з'єднувальних клем на задній панелі для входу та виходу струму. Більшість вимірювальних рухів чутливі до полярності, один напрямок струму рухає стрілку вправо, а інший рухає її вліво. Деякі рухи лічильника мають голку, яка пружинно центрирована посередині розгортки шкали, а не вліво, що дозволяє вимірювати будь-яку полярність:
Поширені рухи, чутливі до полярності, включають конструкції D'Arsonval та Weston, обидва інструменти типу PMMC. Струм в одному напрямку через дріт буде виробляти крутний момент за годинниковою стрілкою на голковому механізмі, тоді як струм в іншому напрямку буде виробляти крутний момент проти годинникової стрілки.
Деякі рухи лічильника чутливі до полярності, спираючись на тяжіння незамагніченої, рухомої залізної лопатки до нерухомого струмоведучого дроту для відхилення голки. Такі лічильники ідеально підходять для вимірювання змінного струму (змінного струму). Рух, чутливий до полярності, буде просто вібрувати вперед і назад марно, якщо підключений до джерела змінного струму.
Хоча більшість механічних рухів лічильника засновані на електромагнетизмі (потік електронів через провідник, що створює перпендикулярне магнітне поле), деякі з них засновані на електростатиці: тобто привабливій або відштовхуючій силі, що генерується електричними зарядами у просторі. Це те саме явище, що проявляється певними матеріалами (такими як віск і шерсть) при розтиранні. Якщо напруга подається між двома провідними поверхнями через повітряний зазор, виникне фізична сила, яка притягує дві поверхні разом, здатна переміщати якийсь індикаційний механізм. Та фізична сила прямо пропорційна напрузі, прикладеному між пластинами, і обернено пропорційна квадрату відстані між пластинами. Сила також незалежно від полярності, що робить це нечутливим до полярності типом руху лічильника:
На жаль, сила, що генерується електростатичним притяганням, дуже мала для загальних напруг. Насправді він настільки малий, що такі конструкції руху лічильників недоцільні для використання в загальних випробувальних приладах. Зазвичай електростатичні рухи лічильника використовуються для вимірювання дуже високих напруг (багато тисяч вольт). Однією з великих переваг руху електростатичного лічильника, однак, є той факт, що він має надзвичайно високий опір, тоді як електромагнітні рухи (які залежать від потоку електронів через дріт для генерації магнітного поля) значно нижчі за опором. Як ми побачимо більш детально, більший опір (що призводить до меншого струму, витягнутого з тестованої схеми) робить кращий вольтметр.
Набагато більш поширене застосування вимірювання електростатичної напруги спостерігається в пристрої, відомому як електронно-променева трубка або ЕПТ. Це спеціальні скляні трубки, дуже схожі на телевізійні трубки з оглядовим екраном. В електронно-променевої трубці промінь електронів, що рухаються у вакуумі, відхиляється від свого ходу напругою між парами металевих пластин по обидва боки променя. Оскільки електрони негативно заряджені, вони, як правило, відштовхуються негативною пластиною і притягуються до позитивної пластини. Змінення полярності напруги на двох пластин призведе до відхилення електронного пучка в протилежному напрямку, що робить цей тип лічильника «руху» полярності чутливим:
Електрони, що мають набагато меншу масу, ніж металеві пластини, рухаються цією електростатичною силою дуже швидко і легко. Їх відхилений шлях можна простежити, коли електрони потрапляють на скляний кінець трубки, де вони вражають покриття хімічного фосфору, випромінюючи світіння світла, що видно поза трубкою. Чим більше напруга між пластинами відхилення, тим далі електронний промінь буде «зігнутий» від свого прямого шляху, і чим далі світиться пляма буде видно з центру на кінці трубки.
Фотографія ЕПТ показана тут:
У реальному ЕПТ, як показано на наведеній вище фотографії, є дві пари відхиляючих пластин, а не лише одна. Для того, щоб мати можливість змітати електронний промінь навколо всієї площі екрану, а не просто по прямій, промінь повинен бути відхилений більш ніж в одному вимірі.
Хоча ці трубки здатні точно реєструвати невеликі напруги, вони громіздкі і вимагають електричної енергії для роботи (на відміну від електромагнітних рухів лічильника, які є більш компактними і приводяться в дію силою вимірюваного струму сигналу, що проходить через них). Вони також набагато більш крихкі, ніж інші види приладів обліку електроенергії. Зазвичай електронно-променеві трубки використовуються в поєднанні з точними зовнішніми ланцюгами для формування більшої частини випробувального обладнання, відомого як осцилограф, який має можливість відображати графік напруги з часом, надзвичайно корисний інструмент для певних типів ланцюгів, де напруга та/або струм рівні динамічно змінюються.
Незалежно від типу лічильника або розміру руху лічильника, буде номінальне значення напруги або струму, необхідне для отримання повномасштабної індикації. При електромагнітних рухах це буде «струм повномасштабного відхилення», необхідний для обертання голки так, щоб вона вказувала на точний кінець індикаторної шкали. При електростатичних рухах повномасштабний рейтинг буде виражатися як значення напруги, що призводить до максимального відхилення голки, що приводиться в дію пластинами, або величиною напруги в електронно-променевій трубці, яка відхиляє електронний промінь до краю екрана індикації. У цифрових «рухах» це кількість напруги, що призводить до індикації «повного підрахунку» на цифровому дисплеї: коли цифри не можуть відображати більшу кількість.
Завдання конструктора лічильника - прийняти заданий рух лічильника і спроектувати необхідну зовнішню схему для повномасштабної індикації при деякій заданій величині напруги або струму. Більшість вимірювальних рухів (за винятком електростатичних рухів) досить чутливі, даючи повномасштабну індикацію лише на малу частку вольта або підсилювача. Це недоцільно для більшості завдань вимірювання напруги і струму. Те, що технік часто вимагає, - це лічильник, здатний вимірювати високі напруги та струми.
Роблячи чутливий рух лічильника частиною ланцюга дільника напруги або струму, корисний діапазон вимірювань руху може бути розширений для вимірювання набагато більших рівнів, ніж те, що може бути вказано лише рухом. Прецизійні резистори використовуються для створення ланцюгів дільників, необхідних для відповідного поділу напруги або струму. Один з уроків, який ви дізнаєтеся в цій главі, - це те, як розробити ці схеми роздільників.
Рецензія
- А «рух» - це механізм відображення лічильника.
- Електромагнітні рухи працюють за принципом магнітного поля, що генерується електричним струмом через дріт. Приклади електромагнітних рухів лічильника включають конструкції D'Arsonval, Weston та залізо-лопаті.
- Електростатичні рухи працюють за принципом фізичної сили, що генерується електричним полем між двома пластинами.
- Електронно-променеві трубки (ЕПТ) використовують електростатичне поле для згинання шляху електронного пучка, забезпечуючи індикацію положення променя світлом, створюваним при ударі променя в кінець скляної трубки.