Dispositivo de amperímetro e voltímetro

Inicialmente, os voltímetros e amperímetros eram apenas mecânicos, e somente muitos anos depois, com o desenvolvimento da microeletrônica, começaram a ser produzidos voltímetros e amperímetros digitais. No entanto, mesmo agora, os medidores mecânicos são populares. Em comparação com os digitais, eles são resistentes a interferências e fornecem uma representação mais visual da dinâmica do valor medido. Seus mecanismos internos permanecem praticamente os mesmos dos mecanismos magnetoelétricos canônicos dos primeiros voltímetros e amperímetros.

Neste artigo, veremos o dispositivo de um mostrador típico, para que qualquer iniciante possa entender os princípios básicos de operação de voltímetros e amperímetros.

Em seu trabalho, o dispositivo de medição de ponteiro usa o princípio magnetoelétrico. Um ímã permanente com peças polares pronunciadas é fixado no lugar. Um núcleo de aço é fixado entre esses pólos de modo que um espaço de ar seja formado entre o núcleo e as partes polares do ímã campo magnético permanente.

Uma moldura móvel de alumínio é inserida no vão, na qual uma bobina de fio muito fino é enrolada.A estrutura é fixada nos semi-eixos e pode ser girada com a polia. A seta do dispositivo é fixada ao quadro com molas helicoidais. Uma corrente é fornecida à bobina através das molas.

Quando uma corrente I passa pelo fio da bobina, então, como a bobina é colocada em um campo magnético e a corrente em seus fios flui perpendicularmente, cruzando as linhas do campo magnético na lacuna, uma força rotativa do lado da campo magnético atuará sobre ele. A força eletromagnética criará um torque M, e a bobina, juntamente com a armação e a mão, girará em um certo ângulo α.

Como a indução do campo magnético no gap é inalterada (ímã permanente), o torque sempre será proporcional à corrente na bobina, e seu valor dependerá da corrente e dos parâmetros constantes de projeto deste dispositivo específico (c1 ). Este momento será igual a:

O momento de reação que impede a rotação do quadro, decorrente da presença de molas, será proporcional ao ângulo de torção das molas, ou seja, o ângulo de rotação da seta conectada à parte móvel:

Dessa forma, a rotação continuará até que o momento M gerado pela corrente no quadro seja igual ao contramomento Mpr das molas, ou seja, até que ocorra o equilíbrio. Neste ponto, a seta irá parar:

Obviamente, o ângulo de torção das molas será proporcional à corrente da carcaça (e à corrente medida), por isso os dispositivos do sistema magnetoelétrico possuem a mesma escala. O fator de proporcionalidade k entre o ângulo de rotação da seta e a unidade da corrente medida é chamado de sensibilidade do dispositivo.

O recíproco é chamado de divisão de escala ou constante unitária. O valor medido é determinado como o produto do valor dividido por número de divisões de escala.

Para evitar vibrações perturbadoras da estrutura móvel durante as transições da flecha de uma de suas posições para outra, indução magnética ou válvulas de ar são usadas nesses dispositivos.

O amortecedor de indução magnética é uma placa de alumínio que é fixada no eixo de rotação do aparelho e se move sempre com a seta no campo de um imã permanente. As correntes parasitas resultantes desaceleram o enrolamento. A conclusão é que, de acordo com a regra de Lenz, as correntes parasitas na placa, interagindo com o campo magnético do imã permanente que as gerou, impedem o movimento da placa e as oscilações de a flecha morre rapidamente. O papel desse amortecedor com indução magnética é desempenhado pela estrutura de alumínio na qual a bobina é enrolada.

Ao girar a moldura, o fluxo magnético do ímã permanente que penetra na moldura de alumínio muda, o que significa que correntes parasitas são induzidas na moldura de alumínio, que, ao interagir com o campo magnético do ímã permanente, tem um efeito de frenagem e o as oscilações da mão param.

Os amortecedores de ar de dispositivos magnetoelétricos são câmaras cilíndricas com pistões colocados no interior, conectados aos sistemas móveis de dispositivos. Quando a parte móvel está em movimento, o pistão em forma de asa é parado na câmara e as oscilações da agulha são amortecidas.

Para obter a precisão de medição necessária, o dispositivo não deve ser afetado pela gravidade durante a medição, e a deflexão da seta deve estar relacionada apenas ao torque resultante da interação da corrente da bobina com o campo magnético do ímã permanente e com suspensão do quadro por meio de molas.

Para eliminar o efeito nocivo da gravidade e evitar os erros associados, contrapesos são adicionados à parte móvel do dispositivo na forma de pesos que se movem sobre hastes.

Para reduzir o atrito, as pontas de aço são feitas de aço polido resistente ao desgaste ou liga de tungstênio-molibdênio e os rolamentos são feitos de mineral duro (ágata, corindo, rubi, etc.). A distância entre a ponta e o rolamento de apoio é ajustada com um parafuso de ajuste.

Para definir com precisão a seta para a posição inicial zero, o dispositivo está equipado com um corretor. O corretor no mostrador é aparafusado e conectado a uma pulseira com uma mola. Usando um parafuso, você pode mover levemente a espiral ao longo do eixo, ajustando assim a posição inicial da seta.

A maioria dos dispositivos modernos possui uma parte móvel suspensa de um par de macas na forma de faixas elásticas de metal que servem para fornecer corrente à bobina e criar fluxo de torque. Os grampos são conectados por um par de molas planas localizadas perpendicularmente entre si.

Para ser honesto, notamos que, além do mecanismo clássico discutido acima, também existem dispositivos com ímãs não apenas em forma de U, mas também ímãs cilíndricos e ímãs em forma de prisma, e até mesmo com ímãs com estrutura interna, que eles próprios podem ser móveis.

Para medir corrente ou tensão, o dispositivo magnetoelétrico é incluído no circuito DC de acordo com o circuito do amperímetro ou voltímetro, a diferença está apenas na resistência da bobina e no circuito para conectar o dispositivo ao circuito. Obviamente, toda a corrente medida não deve passar pela bobina do dispositivo ao medir a corrente e, ao medir a tensão, não deve ser consumida muita energia. Um resistor adicional embutido no invólucro do dispositivo de medição serve para criar condições adequadas.

A resistência do resistor adicional no circuito do voltímetro excede em muitas vezes a resistência da bobina, e esse resistor é feito de metal com uma espessura extremamente pequena coeficiente de temperatura de resistênciacomo manganina ou constantan. O resistor conectado em paralelo com a bobina do amperímetro é chamado de shunt.

A resistência do shunt, ao contrário, é várias vezes menor que a resistência da bobina de medição, portanto, apenas uma pequena parte da corrente medida passa pelo fio da bobina, enquanto a corrente principal flui pelo shunt. Um resistor e um shunt adicionais permitem expandir a faixa de medição do dispositivo.

A direção do desvio da seta do dispositivo depende da direção da corrente através da bobina de medição, portanto, ao conectar o dispositivo ao circuito, é importante observar a polaridade corretamente, caso contrário, a seta se moverá na outra direção . Conseqüentemente, os dispositivos magnetoelétricos na forma canônica não são adequados para conexão a um circuito CA, pois a agulha simplesmente vibrará enquanto permanecer no mesmo lugar.

No entanto, as vantagens dos dispositivos magnetoelétricos (amperímetros, voltímetros) incluem alta precisão, uniformidade de escala e resistência a distúrbios gerados por campos magnéticos externos. As desvantagens são a inadequação para medição de corrente alternada (para medir corrente alternada, primeiro você precisa retificá-la), a exigência de observar a polaridade e a vulnerabilidade do fio fino da bobina de medição à sobrecarga.