Bevægelig spole måle mekanisme

I elektromekaniske måleindretninger er en målemekanisme med bevægelig spole det foretrukne kernestykke til måling af styrken af elektriske strømme . Elektriske spændinger kan også måles direkte ved hjælp af et tilsvarende design med høj modstand på spolen. Målemekanismen med bevægelig spole er dybest set et avanceret design af et galvanometer og blev udviklet af Edward Weston i 1888. ^[1] Den viser den aktuelle intensitet som en markørafbøjning, der er proportional med målestrømmen foran en skala . For at aflæsning af skalaen kan foregå så præcist som muligt, er vægten ofte designet som en spejlvægt . Det bevægelige spole -relæ er et specielt design, hvor markøren og skalaen erstattes af elektriske kontakter som et relæ og åbnes eller lukkes i visse vinkelpositioner af spolen.

I praktisk brug er den bevægelige spole -måleenhed i mellemtiden blevet erstattet af digitale måleapparater såsom det digitale multimeter . I tilfælde af tidsvariabel målte variabler er det dog stadig vigtigt på grund af dets integrerende display ( træg markørafbøjning, afhængigt af den accelererede masse).

konstruktion

Funktionelt princip for en bevægelig spole målemekanisme: (1) blød jernkerne, (2) permanent magnet, (3) polstykker, (4) skala, (5) spejlvægt, (6) returfjeder, (7) bevægelig spole , (8) maksimal nedbøjning, (9) hvilestilling, (10) spole, (12) markør, (13) sydpol, (14) nordpol

Visninger af en målemekanisme i bevægelig spole til 100 µA fuld skala; Bevægelig spole ca. 13 mm høj; Skala fjernet

Bevægelig spole med kernemagnet; Returringens diameter cirka 18 mm

En roterbar spole (7) fremstillet af kobbertråd er placeret inden for en permanent magnet (2). To spiralfjedre (6) bruges både til at levere strøm og til at vende tilbage til hvilestilling.

Aksialt spændte torsionsbånd fungerer som ophængning, til frembringelse af genopretningskraften og tilførsel af strøm i spændingsbåndsmonteringen . Denne type måleudstyr til bevægelige spoler kræver ingen tiplejer til den bevægelige spole og er derfor fri for fejl på grund af statisk friktion. Punktlejet er mere almindeligt, se figur, som er mekanisk meget mere robust.

Markøren skal være stiv, let og, for præcis læsning, meget tynd, i det mindste i skalaens område. Der er versioner lavet af metal og glas. For at kompensere for markørens vægt er 1 til 3 modvægte fastgjort i den modsatte retning.

Spolen er normalt viklet på en aluminiumsramme, som samtidig danner en kortslutningsvikling og dæmper målemekanismen, så visningsvinklen nås med lidt overskridelse efter meget kort tid. For at beskytte følsomme måleenheder under transport kortsluttes de også for yderligere at øge dæmpningen på grund af modspændingen under selvinduktion . Ved målinger af bevægelige spoler er den permanente magnet enten i en hesteskoform på ydersiden, mens en blød jernkerne er anbragt i en cylindrisk form i spolen, eller magneten er inde i den bevægelige spole (kernemagnet, se billede ) og det magnetiske kredsløb er i form af en ring lavet af blødt magnetisk materiale uden for spolen lukket.

Stangsko og jernkerne sikrer, at den bevægelige spole altid befinder sig i et tilstrækkeligt lige stærkt felt i det påtænkte rotationsområde (ca. 90 °), så afbøjningen er proportional med målestrømmen.

Større rotationsvinkler (omkring 270 °) kan opnås ved at flytte den flade roterende spole på et polstykke udformet som en ring, modsat hvilken den aksialt magnetiserede ringmagnet er parallel.

I den såkaldte bevægelige - spolemålemekanisme trækkes en permanent magnet i en lige linje mod en fjeders kraft ind i en spole, hvorigennem den ensrettede strøm strømmer. Det forskellige princip (det er ikke elektrodynamisk, men elektromagnetisk) bruges i to-polede spændingstestere, hvor det eneste, der er vigtigt, er at skelne mellem visse forventede spændingsværdier (f.eks. 110 V, 230 V og 380 V).

fungere

Hvis der føres strøm gennem spolen via tilslutningsterminalerne og fjedrene eller spændestropperne, virker Lorentz -kraften på spolens ledere i luftspalten. Som et resultat roterer spolelegemet i magnetfeltet mod fjedrenes kraft, indtil drejningsmomentet fra Lorentz-kraften er lig med drejningsmomentet fra spiralfjedrenes vinkelafhængige genopretningskraft.

Spolen stopper i denne position, og markøren (12) fastgjort til den angiver den tilsvarende værdi af strømmen på en skala (4). Efter afbrydelse af strømmen nulstiller fjedrene markøren til nulpositionen (9). Da fjederkraften er proportional med rotationsvinklen ( Hookes lov ) og Lorentz -kraften er proportional med den aktuelle intensitet, er resultatet en lineært opdelt skala over en rotationsvinkel på cirka 90 °.

Følgende drejningsmomenter er derefter de samme i ligevægt:

M_{L}=2\cdot F_{L}\cdot r=n\cdot I\cdot l\cdot B\cdot 2r

{\ displaystyle M_ {L} = 2 \ gange F_ {L} \ gange r = n \ gange I \ gange l \ gange B \ gange 2r}

{\ displaystyle M_ {L} = 2 \ gange F_ {L} \ gange r = n \ gange I \ gange l \ gange B \ gange 2r}

M_{F}=D\cdot \alpha

{\ displaystyle M_ {F} = D \ cdot \ alpha}

{\ displaystyle M_ {F} = D \ cdot \ alpha}

Ligningen for markørens afbøjning skyldes:

\alpha ={\frac {n\cdot I\cdot B\cdot A}{D}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {n \ cdot I \ cdot B \ cdot A} {D}}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {n \ cdot I \ cdot B \ cdot A} {D}}}

det er $n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ antallet af omdrejninger af spolen, $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ deres radius eller $2r$ ${\ displaystyle 2r}$ $2r$ deres diameter, $l$ ${\ displaystyle l}$ $l$ spolens højde og som følge heraf $EN.$ ${\ displaystyle A}$ $EN.$ spolens område (dvs. $l$ ${\ displaystyle l}$ $l$ lige $2r$ ${\ displaystyle 2r}$ $2r$ ), som $JEG.$ ${\ displaystyle I}$ $JEG.$ den elektriske strøm, $B.$ ${\ displaystyle B}$ $B.$ den magnetiske fluxdensitet i luftgabet, $D.$ ${\ displaystyle D}$ $D.$ fjederkonstanten og $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ vinklen mellem markørens nedbøjning og hvilestilling.

En målemekanisme med bevægelig spole fungerer polaritetsafhængig, dvs. når strømmen er polariseret, afviser markøren i den anden retning. Med denne adfærd kan der kun måles jævnstrøm ; for at måle vekselstrøm skal en ensretter tilsluttes opstrøms for at måle den ensrettede værdi, der dannes på denne måde.

På grund af mekanisk inerti kan markøren ikke følge en hurtig ændring i strøm. I tilfælde af vekselstrøm over en bestemt frekvens, omkring 10 Hz eller mere, danner målemekanismen ækvivalenten af strømmen, hvilket betyder, at den viser nul. Denne adfærd er i modsætning til målemekanismen for jern , der bevæger sig, og som anvender modviljekraften til at vise grundværdien i kvadratværdien, dvs. den effektive værdi .

Med nogle målemekanismer er nulpunktet, dvs. den bevægelige spoles pointerposition, i midten af skalaen eller det roterende område, så der kan vises strømme fra begge polariteter. Hvis nulpunktet er ved kanten af skalaen, kan målemekanismen kun bruges til én polaritet.

anvendelsesområder

Multimeter med bevægelig spole måle mekanisme

I flere år er analoge måleapparater blevet erstattet af digitale måleenheder såsom digitale multimetre på mange områder. Flytende spole måleudstyr er det mest kendte eksempel på anvendelse i analoge multimetre .

En cirkel med en diagonalt tegnet pil bruges som et generelt kredsløbssymbol. Hvis den mængde, der skal måles, skal specificeres direkte, skal du skrive dens enhed eller undertiden dens symbol i cirklen i stedet for pilen.

Nuværende måling

Bevægelige spole måleudstyr kan gå ned til måleområdet slutværdi $I_{MB}$ ${\ displaystyle I_ {MB}}$ $I B}}$ 10 µA kan produceres ^[2] . Ved højere strømme på op til omkring 100 mA er den bevægelige spole lavet af tykkere ledning med færre sving - spændingsfaldet er derefter tilsvarende lavere.

For endnu større strømme bruges en shunt - en omskiftelig parallel til målemekanismens målemodstand , der passerer omkring en del af strømmen til måleelementet ( effektdeler ). Der kræves også en seriemodstand til målemekanismen, så temperaturafhængigheden af kobberspiralens modstand kun påvirker den nuværende division lidt, for detaljer se under ammeter . Typiske arrangementer for strømmåling med shunt er designet til et spændingsfald på 60 mV i slutningen af måleområdet og er i denne henseende overlegen i forhold til mange digitale strømmålere, som normalt har et spændingsfald på 200 mV.

Spændingsmåling

Hvis der skal bruges en målemekanisme med bevægelig spole til spændingsmåling, anvendes især strømfølsomme målemekanismer. På grund af temperaturafhængigheden af spolemodstanden $R_{Sp}$ ${\ displaystyle R_ {Sp}}$ $R _ {{Sp}}$ strømmen og dermed displayet reduceres ved en konstant spænding på grund af selvopvarmningen alene. For at reducere denne indflydelse er der også altid en seriemodstand her $R_{v}$ ${\ displaystyle R_ {v}}$ $R_ {v}$ nødvendig; for flere detaljer se under spændingsmåleapparat . Dette giver dig det mindste realiserbare spændingsmåleområde $U_{MB}=(R_{Sp}+R_{v})I_{MB}$ ${\ displaystyle U_ {MB} = (R_ {Sp} + R_ {v}) I_ {MB}}$ $U _ {{MB}} = (R _ {{Sp}} + R_ {v}) I _ {{MB}}$ . Ved større spændinger, $R_{v}$ ${\ displaystyle R_ {v}}$ $R_ {v}$ steget over den nødvendige minimumsværdi en forøget andel af spændingsfald hen seriemodstanden af spændingsdeleren . På trods af den måling mekanisme, som er følsom for strømmen, er skalaen mærket i enheder af spænding. Der er også en lineær skala for spændingsmåleområdet.

Andre mål

I måle- og testapparater, hvor strøm eller spænding tilføres direkte af en sensor eller ved hjælp af et elektronisk kredsløb, bruges bevægelige spole-måleenheder til at vise variablen, der skal måles. Eksempler er modstandsmåleudstyr , batteritestudstyr, temperaturmåleudstyr og niveauindikatorer som f.eks. VU -måleren .

I elektromekaniske effektmålere erstattes feltmagneten af en jernfri feltspole, der genererer et felt, der er proportionalt med belastningsstrømmen. Den bevægelige spole er forbundet til forsyningsspændingen via en seriemodstand. Dette resulterer i en multiplikation af de øjeblikkelige strøm- og spændingsværdier og en middelværdidannelse på grund af den mekaniske inerti. Det er derfor en reel aktiv effektmåling, der også fungerer med strømme og spændinger, der ikke er sinusformede eller ude af fase.

Drop håndtag regulator

Drop bow- regulatorer fungerede som to-punkts regulatorer og bestod af en stor målemekanisme med bevægelig spole og mekanisk pointer-scanning ^[3] . Et beslag, der periodisk pressede markøren kort ned og vinkeljusterbare vippekontakter blev brugt til dette formål. Uden for prøveudtagningsfasen kunne markøren bevæge sig frit. Senere blev markøren scannet uden kraft ved hjælp af induktive nærhedskontakter.

Fejlgrænser

For at identificere en mulig måleafvigelse gives ofte et klassesymbol for en nøjagtighedsklasse, som angiver fejlgrænserne under visse betingelser. Typiske værdier for klassesymbolet er mellem 0,5 og 2,5.

Eksempel: En måleenhed med nøjagtighedsklasse 1 har positive eller negative måleafvigelser på maksimalt 1% af måleområdeens slutværdi . Hvis måleområdet er indstillet til 30 V, er de absolutte fejlgrænser 1% · 30 V = 0,3 V over hele måleområdet. Afhængigt af driftsbetingelserne kan fejlgrænserne være flere gange større.

Betjeningspositionen (vandret eller lodret) er også specificeret.

Individuelle beviser

↑ patent US381304 : Elektrisk spole og leder. Udgivet 17. april 1888 , opfinder: Edward Weston. ‌
↑ http://www.sifam.com/meters.asp
↑ http://www.historische-messtechnik.de/images/hb_mess_1941-96.jpg A. Kusdas: Skitse af en historisk drop bar-regulator, åbnet 31. oktober 2018

[Weston1-1] tent US381304 : Elektrisk spole og leder. Udgivet 17. april 1888 , opfinder: Edward Weston. ‌

[2] ttp://www.sifam.com/meters.asp

[3] ttp://www.historische-messtechnik.de/images/hb_mess_1941-96.jpg A. Kusdas: Skitse af en historisk drop bar-regulator, åbnet 31. oktober 2018

[1]

[2]

[3]