galvanometre - Galvanometer

Mıknatıs ve dönen bobini gösteren erken bir D'Arsonval galvanometresi

Bir galvanometrenin bir olan elektromekanik ölçüm cihazı için elektrik akımı . İlk galvanometreler kalibre edilmemişti, ancak ampermetre adı verilen geliştirilmiş versiyonlar kalibre edildi ve akımın akışını daha kesin olarak ölçebildi.

Bir galvanometre , sabit bir manyetik alanda bir bobinden akan bir elektrik akımına yanıt olarak bir işaretçiyi saptırarak çalışır . Galvanometreler bir tür aktüatör olarak düşünülebilir .

Galvanometreler, ilk olarak 1820'de Hans Christian Ørsted tarafından not edilen , manyetik bir pusulanın iğnesinin elektrik akımı olan bir telin yakınında saptığı gözleminden geldi . Küçük miktarlarda akımı tespit etmek ve ölçmek için kullanılan ilk aletlerdi. Ørsted'in keşfine matematiksel bir ifade veren André-Marie Ampère , enstrümana 1791'de kurbağa galvanoskopunun prensibini keşfeden İtalyan elektrik araştırmacısı Luigi Galvani'nin adını verdi - elektrik akımının ölü bir kurbağanın bacaklarını sarsmasına neden olur.

Galvanometreler birçok alanda bilim ve teknolojinin gelişmesi için elzem olmuştur. Örneğin, 1800'lerde, en eski transatlantik telgraf kabloları gibi denizaltı kabloları aracılığıyla uzun menzilli iletişimi sağladılar ve ince akım ölçümleriyle kalbin ve beynin elektriksel aktivitesini keşfetmek için gerekliydiler .

Galvanometreler ayrıca diğer tür analog sayaçların (örneğin ışık ölçerler ve VU sayaçlar ) görüntü bileşenleri olarak da kullanılmıştır ve bu sayaçların sensörlerinin çıktılarını yakalar . Bugün, halen kullanılmakta olan ana galvanometre tipi D'Arsonval/Weston tipidir.

Operasyon

D'Arsonval/Weston tipi galvanometre diyagramı.
D'Arsonval/Weston tipi galvanometre diyagramı. Güncel akarken + bobin üzerinden (turuncu parçası) - , bir manyetik alan bobini oluşturulur. Bu alan, kalıcı mıknatıs tarafından etkisiz hale getirilir ve bobini bükülmeye zorlar, işaretçiyi, akımın akışının neden olduğu alanın gücüne göre hareket ettirir.

D'Arsonval/Weston tipi modern galvanometreler, sabit bir mıknatıs alanında, mil adı verilen küçük bir döner tel bobini ile inşa edilmiştir. Bobin, kalibre edilmiş bir ölçeği geçen ince bir işaretçiye bağlıdır. Küçük bir burulma yayı, bobini ve işaretçiyi sıfır konumuna çeker.

Bobinden bir doğru akım (DC) geçtiğinde, bobin bir manyetik alan oluşturur. Bu alan kalıcı mıknatısa karşı hareket eder. Bobin bükülür, yaya doğru iter ve işaretçiyi hareket ettirir. El, elektrik akımını gösteren bir ölçeği gösterir. Kutup parçalarının dikkatli tasarımı, manyetik alanın muntazam olmasını sağlar, böylece işaretçinin açısal sapması akımla orantılı olur. Kullanışlı bir sayaç, genellikle, hareketli bobin ve işaretçinin mekanik rezonansını sönümlemek için bir hüküm içerir, böylece işaretçi, salınım olmadan hızlı bir şekilde yerine oturur .

Bir metrenin temel hassasiyeti, örneğin 100 mikroamper tam ölçek olabilir ( örneğin, tam akımda 50 milivoltluk bir voltaj düşüşü ile). Bu tür sayaçlar, genellikle, o büyüklükte bir akıma dönüştürülebilecek başka bir miktarı okumak için kalibre edilir. Genellikle şönt olarak adlandırılan akım bölücülerin kullanımı, daha büyük akımları ölçmek için bir sayacın kalibre edilmesini sağlar. Bobinin direnci, tam ölçekli bir akım üretmek için gereken voltaj hesaplanarak biliniyorsa, bir sayaç DC voltmetre olarak kalibre edilebilir. Bir sayaç, bir voltaj bölücü devresine yerleştirerek diğer voltajları okuyacak şekilde yapılandırılabilir. Bu genellikle metre bobini ile seri olarak bir direnç yerleştirilerek yapılır . Bilinen bir voltaj (bir pil) ve ayarlanabilir bir direnç ile seri olarak yerleştirerek direnci okumak için bir sayaç kullanılabilir . Bir hazırlık adımında devre tamamlanır ve direnç tam ölçekli sapma üretecek şekilde ayarlanır. Devreye seri olarak bilinmeyen bir direnç yerleştirildiğinde, akım tam ölçekten daha az olacaktır ve uygun şekilde kalibre edilmiş bir ölçek, önceden bilinmeyen direncin değerini görüntüleyebilir.

Farklı türdeki elektrik miktarlarını işaretçi hareketlerine çevirmek için bu yetenekler, galvanometreyi elektrik veren diğer sensörlerin çıkışını (şu veya bu şekilde) bir insan tarafından okunabilen bir şeye dönüştürmek için ideal hale getirir.

Sayacın ibresi genellikle metrenin skalasının üzerinde küçük bir mesafe olduğundan, operatör imleçle "aynı hizada olan" skala çizgisini okumaya çalıştığında paralaks hatası meydana gelebilir. Buna karşı koymak için bazı sayaçlar, ana ölçeğin işaretleriyle birlikte bir ayna içerir. Aynalı bir ölçekten okumanın doğruluğu, ölçeği okurken kişinin kafasını konumlandırarak imleç ve imlecin yansıması aynı hizada olacak şekilde iyileştirilir; bu noktada operatörün gözü doğrudan işaretçinin üzerinde olmalıdır ve herhangi bir paralaks hatası en aza indirilmiştir.

kullanır

Kapalı devre galvanometre ile çalışan lazer tarama aynası

Muhtemelen galvanometrelerin en büyük kullanımı, elektronik cihazlarda analog sayaçlarda kullanılan D'Arsonval/Weston tipiydi. 1980'lerden beri, galvanometre tipi analog sayaç hareketleri, birçok kullanım için analogdan dijitale dönüştürücüler (ADC'ler) tarafından değiştirilmiştir. Dijital panel metre (DPM), bir ADC ve sayısal ekran içerir. Dijital bir enstrümanın avantajları daha yüksek hassasiyet ve doğruluktur, ancak güç tüketimi veya maliyet gibi faktörler yine de analog sayaç hareketlerinin uygulanmasını destekleyebilir.

Modern kullanımlar

Galvanometre mekanizmasının en modern kullanımları, konumlandırma ve kontrol sistemlerindedir. Galvanometre mekanizmaları hareketli mıknatıs ve hareketli bobin galvanometreler olarak ikiye ayrılır; ayrıca kapalı döngü ve açık döngü - veya rezonans - tiplerine ayrılırlar .

Ayna galvanometre sistemleri lazer tarama sistemlerinde ışın konumlandırma veya ışın yönlendirme elemanı olarak kullanılmaktadır . Örneğin, yüksek güçlü lazerlerle malzeme işleme için servo kontrol sistemleri ile kapalı döngü ayna galvanometre mekanizmaları kullanılır . Bunlar tipik olarak yüksek güçlü galvanometrelerdir ve kiriş yönlendirme uygulamaları için tasarlanmış en yeni galvanometreler, uygun servo teknolojisi ile 10 kHz'in üzerinde frekans yanıtlarına sahip olabilir. Kapalı döngü ayna galvanometreler ayrıca stereolitografi , lazer sinterleme , lazer kazıma , lazer ışını kaynağı , lazer TV'ler , lazer ekranlarda ve Optik Koherens Tomografi (OCT) ve Tarama Lazer Oftalmoskopi (SLO ) ile retina taraması gibi görüntüleme uygulamalarında benzer şekillerde kullanılmaktadır. ). Bu galvanometrelerin hemen hepsi hareketli mıknatıs tipindedir. Kapalı döngü, bir kızılötesi emitör ve 2 fotodiyot ile dönen eksenin konumunun ölçülmesiyle elde edilir. Bu geri besleme bir analog sinyaldir.

Açık döngü veya rezonant ayna galvanometreler, esas olarak bazı lazer tabanlı barkod tarayıcı türlerinde, baskı makinelerinde, görüntüleme uygulamalarında, askeri uygulamalarda ve uzay sistemlerinde kullanılır. Yağlanmamış yatakları, özellikle yüksek vakumda çalışmayı gerektiren uygulamalarda ilgi çekicidir .

8 mm film kamerasının otomatik pozlama ünitesinde kullanılan bir galvanometre mekanizması (orta kısım), bir fotorezistör ile birlikte (sol üstteki delikte görülür).

Hareketli bobin tipi galvanometre mekanizmaları (sabit disk üreticileri tarafından 'ses bobinleri' olarak adlandırılır), kütleyi (ve dolayısıyla erişim sürelerini) mümkün olduğunca düşük tutmak için sabit disk sürücülerinde ve CD/DVD oynatıcılarda kafa konumlandırma servolarını kontrol etmek için kullanılır. .

Geçmiş kullanımlar

Galvanometreler için önemli bir erken kullanım, telekomünikasyon kablolarındaki hataları bulmaktı. 20. yüzyılın sonlarında bu uygulamada zaman alanlı reflektometreler tarafından yerlerini aldılar .

Galvanometre mekanizmaları , film kameralarının ölçüm mekanizmalarındaki (yan resimde görüldüğü gibi) fotodirençlerden okumalar almak için de kullanıldı .

Elektrokardiyograflar , elektroensefalograflar ve yalan makineleri gibi analog şerit grafik kaydedicilerde , kalemi konumlandırmak için galvanometre mekanizmaları kullanıldı . Galvanometre tahrikli kalemlere sahip şerit grafik kaydediciler, 100 Hz'lik tam ölçekli bir frekans tepkisine ve birkaç santimetre sapmaya sahip olabilir.

Tarih

Hans Christian Örsted

Manyetik pusula iğnesinin bir teldeki akım tarafından sapması ilk olarak 1820'de Hans Christian Ørsted tarafından tanımlanmıştır. Bu fenomen hem kendi iyiliği için hem de elektrik akımını ölçmek için bir araç olarak incelenmiştir.

Schweigger ve Amper

En erken galvanometrenin tarafından rapor edildi Johann Schweigger de Halle Üniversitesi , 16 Eylül 1820 tarihinde Andre Marie Ampere de gelişiminde katkıda bulunmuştur. İlk tasarımlar, akımın ürettiği manyetik alanın etkisini birden fazla tel dönüşü kullanarak arttırdı. Enstrümanlar, bu ortak tasarım özelliğinden dolayı ilk başta "çarpanlar" olarak adlandırıldı. 1836'da yaygın olarak kullanılan "galvanometre" terimi , 1791'de elektrik akımının ölü bir kurbağanın bacağını sarsacağını keşfeden İtalyan elektrik araştırmacısı Luigi Galvani'nin soyadından türetilmiştir .

Poggendorff ve Thomson

1858'de patentli Thomson aynalı galvanometre.

Başlangıçta, aletler, pusula iğnesi için geri yükleme kuvveti sağlamak için Dünya'nın manyetik alanına dayanıyordu. Bunlara "tanjant" galvanometreler deniyordu ve kullanımdan önce yönlendirilmeleri gerekiyordu. Daha sonra " astatik " tipteki aletler , Dünya'nın alanından bağımsız olmak için karşıt mıknatıslar kullandı ve herhangi bir yönde çalışacaktı.

Erken bir ayna galvanometre 1826'da Johann Christian Poggendorff tarafından icat edildi . Astatik galvanometrenin en hassas biçimi olan Thomson'ın ayna galvanometre terimini kullandığı Thomson galvanometre , 1858'de William Thomson (Lord Kelvin) tarafından patentlendi . Thomson'ın ayna galvanometresi, 1849'da Hermann von Helmholtz tarafından icat edilen bir tasarımın geliştirilmiş haliydi. Thomson'ın tasarımı, pusula iğnesi yerine bir iplikle asılı duran hafif bir aynaya bağlı küçük mıknatıslar kullanarak çok hızlı akım değişikliklerini tespit edebildi. Bir ışık huzmesinin ayna üzerindeki sapması, küçük akımların neden olduğu sapmayı büyük ölçüde büyütmüştür. Alternatif olarak, asılı mıknatısların sapması doğrudan bir mikroskop aracılığıyla gözlemlenebilir.

Georg Ohm

Gerilimi ve akımı nicel olarak ölçme yeteneği, Georg Ohm'un 1827'de Ohm Yasasını formüle etmesine izin verdi - bir iletken üzerindeki voltajın, içinden geçen akımla doğru orantılı olduğu.

D'Arsonval ve Deprez

Galvanometrenin erken hareketli-mıknatıs formunun dezavantajı, yakınındaki herhangi bir mıknatıs veya demir kütlesinden etkilenmesi ve sapmasının akımla doğrusal olarak orantılı olmamasıydı. 1882'de Jacques-Arsène d'Arsonval ve Marcel Deprez , hem bobine elektriksel bir bağlantı hem de sıfır konumuna geri dönmek için geri yükleme torku sağlayan ince teller tarafından askıya alınan, sabit bir kalıcı mıknatıs ve hareketli bir tel bobini olan bir form geliştirdiler. Mıknatısın kutup parçaları arasındaki demir boru, içinden bobinin döndüğü dairesel bir boşluk tanımlıyordu. Bu boşluk, bobin boyunca tutarlı, radyal bir manyetik alan üretti ve cihazın menzili boyunca doğrusal bir tepki verdi. Bobine bağlı bir ayna, bobin konumunu belirtmek için bir ışık huzmesi saptırdı. Konsantre manyetik alan ve hassas süspansiyon, bu aletleri hassas hale getirdi; d'Arsonval'ın ilk cihazı on mikroamper algılayabiliyordu .

edward weston

D'Arsonval/Weston galvanometresi (yaklaşık 1900). Mıknatısın sol kutup parçasının bir kısmı bobini göstermek için kırılmıştır.
taşınabilir durumda Weston galvanometre

Edward Weston , galvanometrenin tasarımını kapsamlı bir şekilde geliştirdi. İnce telli süspansiyonu bir pivot ile değiştirdi ve geleneksel kol saati balans çarkı balans yayı yerine spiral yaylar aracılığıyla tork ve elektrik bağlantılarının geri yüklenmesini sağladı. Daimi mıknatısın manyetik alanını stabilize etmek için bir yöntem geliştirdi, böylece alet zaman içinde tutarlı bir doğruluğa sahip olacaktı. Işık huzmesini ve aynayı doğrudan okunabilen keskin uçlu bir işaretçiyle değiştirdi. İşaretçinin altında, ölçekle aynı düzlemde bir ayna, paralaks gözlem hatasını ortadan kaldırdı . Alan gücünü korumak için Weston'ın tasarımı, bobinin minimum hava boşluğu ile hareket ettiği çok dar bir çevresel yuva kullandı. Bu, bobin akımına göre işaretçi sapmasının doğrusallığını geliştirdi. Son olarak bobin, amortisör görevi gören iletken metalden yapılmış hafif bir forma sarılmıştır. 1888'de Edward Weston, standart bir elektrikli ekipman bileşeni haline gelen bu enstrümanın ticari bir formunu patentledi ve çıkardı. Montaj konumundan veya bir yerden bir yere taşınmasından çok az etkilendiği için "taşınabilir" bir alet olarak biliniyordu. Bu tasarım, günümüzde hareketli bobin sayaçlarında neredeyse evrensel olarak kullanılmaktadır.

Başlangıçta, işaretçi için geri yükleme kuvveti sağlamak üzere Dünya'nın kendi manyetik alanına dayanan laboratuvar aletleri, galvanometreler, elektro-teknolojinin gelişimi için gerekli olan kompakt, sağlam, hassas portatif aletler haline getirildi.

gergin bant hareketi

Gergin bant hareketi, D'Arsonval-Weston hareketinin modern bir gelişimidir. Mücevher milleri ve saç yayları, gerilim altındaki küçük metal şeritlerle değiştirilir. Böyle bir sayaç, saha kullanımı için daha dayanıklıdır.

Türler

Genel olarak iki tip galvanometre vardır. Bazı galvanometreler, ölçümleri göstermek için bir ölçekte katı bir işaretçi kullanır; diğer çok hassas türler, düşük seviyeli sinyallerin mekanik amplifikasyonunu sağlamak için minyatür bir ayna ve bir ışık huzmesi kullanır.

tanjant galvanometre

Tanjant galvanometre, elektrik akımının ölçümü için kullanılan erken bir ölçüm cihazıdır . Bilinmeyen akımın ürettiği manyetik alanı Dünya'nın manyetik alanıyla karşılaştırmak için bir pusula iğnesi kullanarak çalışır . Adını, bir pusula iğnesinin yaptığı açının tanjantının , iki dik manyetik alanın kuvvetlerinin oranıyla orantılı olduğunu belirten çalışma prensibi olan manyetizmanın tanjant kanunundan alır . İlk olarak 1834 yılında Johan Jacob Nervander tarafından tanımlanmıştır (bkz. ” Annales de Chimie et de Physique (Paris), Tome 55, 156–184, 1834. ve J. Venermo ve A. Sihvola, "The tangent galvanometer of Johan Jacob Nervander," IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, cilt 11, no 3, s. 16–23, Haziran 2008.) ve 1837'de Claude Pouillet tarafından .

Bir tanjant galvanometre, dairesel manyetik olmayan bir çerçeveye sarılmış yalıtılmış bakır tel bobinden oluşur. Çerçeve, tesviye vidaları ile sağlanan yatay bir taban üzerine dikey olarak monte edilir. Bobin, merkezinden geçen dikey bir eksende döndürülebilir. Dairesel bir ölçeğin ortasına yatay olarak bir pusula kutusu monte edilmiştir. Bobinin merkezinde döndürülen küçük, güçlü bir manyetik iğneden oluşur. Manyetik iğne yatay düzlemde serbestçe dönebilir. Dairesel ölçek dört çeyreğe bölünmüştür. Her kadran 0° ile 90° arasında derecelendirilir. İğneye merkezinde ve ona dik açıda uzun ince bir alüminyum işaretçi takılır. Paralaks kaynaklı hataları önlemek için pusula iğnesinin altına bir düzlem ayna monte edilmiştir.

Çalışmada, alet ilk önce pusula iğnesi ile gösterilen Dünyanın manyetik alanı bobinin düzlemine paralel olana kadar döndürülür. Daha sonra bobine bilinmeyen akım uygulanır. Bu, bobinin ekseni üzerinde, Dünya'nın manyetik alanına dik olan ikinci bir manyetik alan yaratır. Pusula iğnesi , iki alanın vektör toplamına yanıt verir ve iki alanın oranının tanjantına eşit bir açıyla sapar. Pusulanın ölçeğinden okunan açıdan, akım bir tablodan bulunabilir. Akım besleme kabloları, domuz kuyruğu gibi küçük bir sarmal şeklinde sarılmalıdır, aksi takdirde telden kaynaklanan alan pusula iğnesini etkiler ve yanlış bir okuma elde edilir.

teori

Galvanometrenin bobinin düzlem dik olacak şekilde yönlendirilmiş ve yatay bileşen paralel boyunca hizalanmıştır B , H (yani, lokal "manyetik meridyen" olarak paralel olan) dünyanın manyetik alanı. Galvanometre bobininden bir elektrik akımı geçtiğinde, ikinci bir manyetik alan B yaratılır. Pusula iğnesinin bulunduğu bobinin merkezinde, bobinin alanı bobinin düzlemine diktir. Bobinin alanının büyüklüğü:

burada I amper cinsinden akımdır , n bobinin dönüş sayısıdır ve r bobinin yarıçapıdır. Bu iki dikey manyetik alan vektörel olarak toplanır ve pusula iğnesi, sonuçta ortaya çıkan B H + B yönünü işaret eder . Bobindeki akım, pusula iğnesinin θ açısı kadar dönmesine neden olur :

Teğet yasasından, B = B H tan θ , yani

veya

veya I = K tan θ , burada K , tanjant galvanometrenin İndirgeme Faktörü olarak adlandırılır.

Tanjant galvanometre ile ilgili bir problem, çözünürlüğünün hem yüksek akımlarda hem de düşük akımlarda düşmesidir. Maksimum çözünürlük, θ değeri 45° olduğunda elde edilir . θ değeri 0° veya 90°'ye yakın olduğunda, akımdaki büyük bir yüzde değişikliği iğneyi yalnızca birkaç derece hareket ettirecektir.

Jeomanyetik alan ölçümü

Jeomanyetik alanın yatay bileşeninin büyüklüğünü ölçmek için bir tanjant galvanometre de kullanılabilir . Bu şekilde kullanıldığında, pil gibi düşük voltajlı bir güç kaynağı, bir reosta , galvanometre ve bir ampermetre ile seri olarak bağlanır . Galvanometre ilk olarak, bobinler boyunca akım olmadığında yönü pusula tarafından gösterilen jeomanyetik alana paralel olacak şekilde hizalanır. Pil daha sonra bağlanır ve reostat, pusula iğnesi jeomanyetik alandan 45 derece sapana kadar ayarlanır, bu da bobinin merkezindeki manyetik alanın büyüklüğünün jeomanyetik alanın yatay bileşenininkiyle aynı olduğunu gösterir. Bu alan gücü, ampermetre ile ölçülen akımdan, bobinin dönüş sayısından ve bobinlerin yarıçapından hesaplanabilir.

astatik galvanometre

Tanjant galvanometrenin aksine, astatik galvanometre ölçüm için Dünya'nın manyetik alanını kullanmaz, bu nedenle Dünya'nın alanına göre yönlendirilmesine gerek yoktur, bu da kullanımı kolaylaştırır. 1825 yılında Leopoldo Nobili tarafından geliştirilen , birbirine paralel fakat manyetik kutupları ters olan iki mıknatıslı iğneden oluşur. Bu iğneler tek bir ipek iplikle asılır. Alt iğne, dikey akım algılayıcı bir tel bobinin içindedir ve yukarıdaki tanjant galvanometrede olduğu gibi, geçen akımın yarattığı manyetik alan tarafından saptırılır. İkinci iğnenin amacı, birinci iğnenin dipol momentini iptal etmektir, böylece asılı armatürün net manyetik dipol momenti olmaz ve bu nedenle dünyanın manyetik alanından etkilenmez. İğnenin dönüşüne, açıyla orantılı olan askı ipliğinin burulma esnekliği karşı çıkar.

ayna galvanometre

Son derece küçük akımları algılamak için daha yüksek hassasiyet elde etmek için aynalı galvanometre , işaretçi yerine hafif bir ayna kullanır. Mıknatıslara bir ayna tutturulmuş dikey bir tel bobinin içinde, ince bir elyaftan sarkan yatay mıknatıslardan oluşur. Aynadan yansıyan bir ışık demeti, oda boyunca dereceli bir ölçekte düşer ve kütlesiz uzun bir işaretçi görevi görür. Aynalı galvanometre, 1850'lerde ilk Atlantik ötesi denizaltı telgraf kablolarında , Atlantik altında bin millik yolculuklarından sonra aşırı zayıf akım darbelerini tespit etmek için alıcı olarak kullanıldı . Osilograf adı verilen bir cihazda , ölçümleri fotoğraf filmine kaydederek akım-zaman grafikleri üretmek için hareketli ışık demeti kullanılır. Dize galvanometrenin ilk yapmak için kullanılan o kadar hassas ayna galvanometreden türüdür elektrokardiyogram insan kalbinin elektriksel aktivitenin.

balistik galvanometre

Balistik galvanometre, içinden boşaltılan yükün miktarını ölçmek için bir tür hassas galvanometredir . Akım ölçen bir galvanometrenin aksine, yanıtının uzun zaman sabiti sayesinde bir entegratördür . Hareketli parça, entegre ölçümü yapmaya yetecek kadar uzun bir salınım periyodu sağlayan büyük bir atalet momentine sahiptir . Hareketli bobin veya hareketli mıknatıs tipinden biri olabilir; genellikle bir ayna galvanometresidir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar