Dispositivo de amperímetro y voltímetro
Inicialmente, los voltímetros y amperímetros eran solo mecánicos, y solo muchos años después, con el desarrollo de la microelectrónica, comenzaron a producirse voltímetros y amperímetros digitales. Sin embargo, incluso ahora los medidores mecánicos son populares. En comparación con los digitales, son resistentes a las interferencias y brindan una representación más visual de la dinámica del valor medido. Sus mecanismos internos siguen siendo prácticamente los mismos que los mecanismos magnetoeléctricos canónicos de los primeros voltímetros y amperímetros.
En este artículo, veremos el dispositivo de un dial típico, para que cualquier principiante pueda comprender los principios básicos de funcionamiento de los voltímetros y amperímetros.
En su trabajo, el dispositivo de medición del puntero utiliza el principio magnetoeléctrico. Se fija un imán permanente con piezas polares pronunciadas. Se fija un núcleo de acero entre estos polos para que se forme un espacio de aire entre el núcleo y las partes polares del imán. campo magnético permanente.
Se inserta un marco de aluminio móvil en el espacio, en el que se enrolla una bobina de alambre muy delgado.El marco se fija en los semiejes y se puede girar con la polea. La flecha del dispositivo está unida al marco con resortes helicoidales. Se suministra corriente a la bobina a través de los resortes.
Cuando una corriente I pasa a través del alambre de la bobina, entonces, dado que la bobina está colocada en un campo magnético, y la corriente en sus alambres fluye perpendicularmente, cruzando las líneas del campo magnético en el espacio, una fuerza giratoria del lado de la el campo magnético actuará sobre él. La fuerza electromagnética creará un par M, y la bobina, junto con el marco y la mano, girarán en un cierto ángulo α.
Dado que la inducción del campo magnético en el espacio no cambia (imán permanente), el par siempre será proporcional a la corriente en la bobina, y su valor dependerá de la corriente y de los parámetros constantes de diseño de este dispositivo en particular (c1 ). Este momento será igual a:
El momento de reacción que impide la rotación del marco, resultante de la presencia de resortes, será proporcional al ángulo de torsión de los resortes, es decir, el ángulo de rotación de la flecha conectada a la parte móvil:
De esta forma, la rotación continuará hasta que el momento M creado por la corriente en el marco sea igual al contramomento Mpr de los resortes, es decir, hasta que se produzca el equilibrio. En este punto la flecha se detendrá:
Obviamente, el ángulo de torsión de los resortes será proporcional a la corriente del marco (y la corriente medida), por lo que los dispositivos del sistema magnetoeléctrico tienen la misma escala. El factor de proporcionalidad k entre el ángulo de rotación de la flecha y la unidad de la corriente medida se denomina sensibilidad del dispositivo.
El recíproco se llama división de escala o constante unitaria. El valor medido se determina como el producto del valor dividido por número de divisiones de escala.
Para evitar vibraciones perturbadoras del marco móvil durante las transiciones de la flecha de una de sus posiciones a otra, en estos dispositivos se utilizan válvulas de inducción magnética o de aire.
El amortiguador de inducción magnética es una placa de aluminio que se fija en el eje de rotación del dispositivo y se mueve siempre con la flecha en el campo de un imán permanente. Las corrientes de Foucault resultantes ralentizan el devanado.La conclusión es que, según la regla de Lenz, las corrientes de Foucault en la placa, al interactuar con el campo magnético del imán permanente que las generó, impiden el movimiento de la placa y las oscilaciones de la flecha muere rápidamente. El papel de un amortiguador de este tipo con inducción magnética lo desempeña el marco de aluminio en el que se enrolla la bobina.
Al girar el marco, el flujo magnético del imán permanente que penetra en el marco de aluminio cambia, lo que significa que se inducen corrientes de Foucault en el marco de aluminio que, al interactuar con el campo magnético del imán permanente, tienen un efecto de frenado, y el oscilaciones del tope de mano.
Los amortiguadores de aire de los dispositivos magnetoeléctricos son cámaras cilíndricas con pistones colocados en su interior, conectados a los sistemas móviles de los dispositivos. Cuando la parte móvil está en movimiento, el pistón en forma de ala se detiene en la cámara y se amortiguan las oscilaciones de la aguja.
Para lograr la precisión de medición requerida, el dispositivo no debe verse afectado por la gravedad durante la medición, y la desviación de la flecha debe estar relacionada solo con el par resultante de la interacción de la corriente de la bobina con el campo magnético del imán permanente y con suspensión del marco por medio de resortes.
Para eliminar el efecto nocivo de la gravedad y evitar los errores asociados, se agregan contrapesos a la parte móvil del dispositivo en forma de pesos que se mueven sobre varillas.
Para reducir la fricción, las puntas de acero están hechas de acero resistente al desgaste pulido o aleación de tungsteno-molibdeno, y los cojinetes están hechos de mineral duro (ágata, corindón, rubí, etc.). La distancia entre la punta y el cojinete de apoyo se ajusta con un tornillo de fijación.
Para establecer con precisión la flecha en la posición inicial cero, el dispositivo está equipado con un corrector. El corrector en la esfera es un tornillo y está conectado a una correa con un resorte. Con un tornillo, puede mover ligeramente la espiral a lo largo del eje, ajustando así la posición inicial de la flecha.
La mayoría de los dispositivos modernos tienen una parte móvil suspendida de un par de camillas en forma de bandas elásticas de metal que sirven para suministrar corriente a la bobina y crear un par de flujo. Las abrazaderas están conectadas por un par de resortes planos ubicados perpendicularmente entre sí.
Para ser honesto, notamos que además del mecanismo clásico discutido anteriormente, también hay dispositivos con imanes no solo en forma de U, sino también imanes cilíndricos e imanes en forma de prisma, e incluso con imanes con un marco interno, que a su vez ellos mismos pueden ser muebles.
Para medir corriente o voltaje, el dispositivo magnetoeléctrico se incluye en el circuito de CC según el circuito del amperímetro o voltímetro, la diferencia está solo en la resistencia de la bobina y en el circuito para conectar el dispositivo al circuito. Por supuesto, toda la corriente medida no debe pasar a través de la bobina del dispositivo cuando se mide la corriente, y cuando se mide el voltaje, no se debe consumir mucha energía. Una resistencia adicional integrada en la carcasa del dispositivo de medición sirve para crear las condiciones adecuadas.
La resistencia de la resistencia adicional en el circuito del voltímetro supera muchas veces la resistencia de la bobina, y esta resistencia está hecha de metal con una resistencia extremadamente pequeña. coeficiente de temperatura de resistenciacomo manganina o constantán. La resistencia conectada en paralelo con la bobina en el amperímetro se llama derivación.
La resistencia de la derivación, por el contrario, es varias veces menor que la resistencia de la bobina de trabajo de medición, por lo tanto, solo una pequeña parte de la corriente medida pasa a través del cable de la bobina, mientras que la corriente principal fluye a través de la derivación. Una resistencia adicional y una derivación le permiten ampliar el rango de medición del dispositivo.
La dirección de desviación de la flecha del dispositivo depende de la dirección de la corriente a través de la bobina de medición, por lo tanto, al conectar el dispositivo al circuito, es importante observar la polaridad correctamente, de lo contrario, la flecha se moverá en la otra dirección. . En consecuencia, los dispositivos magnetoeléctricos en forma canónica no son adecuados para la conexión a un circuito de CA, ya que la aguja simplemente vibrará mientras permanece en un lugar.
Sin embargo, las ventajas de los dispositivos magnetoeléctricos (amperímetros, voltímetros) incluyen alta precisión, uniformidad de escala y resistencia a las perturbaciones generadas por campos magnéticos externos. Las desventajas son la inadecuación para medir la corriente alterna (para medir la corriente alterna, primero deberá rectificarla), el requisito de observar la polaridad y la vulnerabilidad del cable delgado de la bobina de medición a la sobrecarga.