Appareil ampèremètre et voltmètre

Au départ, les voltmètres et ampèremètres n'étaient que mécaniques, et ce n'est que plusieurs années plus tard, avec le développement de la microélectronique, que des voltmètres et ampèremètres numériques ont commencé à être produits. Néanmoins, même maintenant, les compteurs mécaniques sont populaires. Par rapport aux numériques, ils sont résistants aux interférences et donnent une représentation plus visuelle de la dynamique de la valeur mesurée. Leurs mécanismes internes restent pratiquement les mêmes que les mécanismes magnétoélectriques canoniques des premiers voltmètres et ampèremètres.

Dans cet article, nous examinerons le dispositif d'un cadran typique, afin que tout débutant puisse comprendre les principes de base du fonctionnement des voltmètres et ampèremètres.

Dans son travail, le dispositif de mesure à pointeur utilise le principe magnétoélectrique. Un aimant permanent avec des pièces polaires prononcées est fixé en place. Un noyau en acier est fixé entre ces pôles de sorte qu'un entrefer est formé entre le noyau et les parties polaires de l'aimant champ magnétique permanent.

Un cadre en aluminium mobile est inséré dans l'espace, sur lequel une bobine de fil très fin est enroulée.Le cadre est fixé sur les arbres d'essieu et peut être tourné avec la poulie. La flèche de l'appareil est fixée au cadre avec des ressorts hélicoïdaux. Un courant est fourni à la bobine à travers les ressorts.

Lorsqu'un courant I traverse le fil de la bobine, alors, puisque la bobine est placée dans un champ magnétique et que le courant dans ses fils circule perpendiculairement, traversant les lignes de champ magnétique dans l'entrefer, une force de rotation du côté du champ magnétique agira dessus. La force électromagnétique créera un couple M et la bobine, avec le cadre et la main, tournera d'un certain angle α.

Puisque l'induction du champ magnétique dans l'entrefer est inchangée (aimant permanent), le couple sera toujours proportionnel au courant dans la bobine, et sa valeur dépendra du courant et des paramètres de conception constants de cet appareil particulier (c1 ). Ce moment sera égal à :

Le moment de réaction empêchant la rotation du châssis, résultant de la présence de ressorts, sera proportionnel à l'angle de torsion des ressorts, c'est-à-dire à l'angle de rotation de la flèche liée à la partie mobile :

De cette façon, la rotation continuera jusqu'à ce que le moment M créé par le courant dans le bâti soit égal au contre-moment Mpr des ressorts, c'est-à-dire jusqu'à ce que l'équilibre se produise. À ce stade, la flèche s'arrêtera :

Évidemment, l'angle de torsion des ressorts sera proportionnel au courant de trame (et au courant mesuré), c'est pourquoi les dispositifs du système magnétoélectrique ont la même échelle. Le facteur de proportionnalité k entre l'angle de rotation de la flèche et l'unité du courant mesuré s'appelle la sensibilité de l'appareil.

L'inverse est appelé la division d'échelle ou la constante d'unité. La valeur mesurée est déterminée comme le produit de la valeur divisée par nombre de divisions d'échelle.

Afin d'éviter des vibrations perturbatrices du cadre mobile lors des transitions de la flèche d'une de ses positions à une autre, des ventouses à induction magnétique ou à air sont utilisées dans ces dispositifs.

L'amortisseur à induction magnétique est une plaque d'aluminium qui est fixée sur l'axe de rotation de l'appareil et se déplace toujours avec la flèche dans le champ d'un aimant permanent. Les courants de Foucault qui en résultent ralentissent l'enroulement.La conclusion est que, selon la règle de Lenz, les courants de Foucault dans la plaque, en interaction avec le champ magnétique de l'aimant permanent qui les a générés, entravent le mouvement de la plaque, et les oscillations de la flèche meurt rapidement. Le rôle d'un tel amortisseur à induction magnétique est joué par le cadre en aluminium sur lequel la bobine est enroulée.

Lors de la rotation du cadre, le flux magnétique de l'aimant permanent pénétrant dans le cadre en aluminium change, ce qui signifie que des courants de Foucault sont induits dans le cadre en aluminium, qui, lorsqu'ils interagissent avec le champ magnétique de l'aimant permanent, ont un effet de freinage, et le oscillations de la butée manuelle.

Les amortisseurs à air des appareils magnétoélectriques sont des chambres cylindriques avec des pistons placés à l'intérieur, reliés aux systèmes mobiles des appareils. Lorsque la partie mobile est en mouvement, le piston en forme d'aile est arrêté dans la chambre et les oscillations de l'aiguille sont amorties.

Afin d'atteindre la précision de mesure requise, l'appareil ne doit pas être affecté par la gravité pendant la mesure, et la déviation de la flèche doit être liée uniquement au couple résultant de l'interaction du courant de la bobine avec le champ magnétique de l'aimant permanent et avec suspension du cadre au moyen de ressorts.

Afin d'éliminer l'effet néfaste de la gravité et d'éviter les erreurs associées, des contrepoids sont ajoutés à la partie mobile du dispositif sous forme de poids se déplaçant sur des tiges.

Pour réduire les frottements, les pointes en acier sont en acier poli résistant à l'usure ou en alliage tungstène-molybdène, et les roulements sont en minéral dur (agate, corindon, rubis, etc.). La distance entre la pointe et le roulement de support est ajustée avec une vis de réglage.

Pour régler avec précision la flèche sur la position de départ zéro, l'appareil est équipé d'un correcteur. Le correcteur dans le cadran est vissé et relié à un bracelet avec un ressort. À l'aide d'une vis, vous pouvez légèrement déplacer la spirale le long de l'axe, ajustant ainsi la position initiale de la flèche.

La plupart des appareils modernes ont une partie mobile suspendue à une paire de tendeurs sous la forme de bandes métalliques élastiques qui servent à fournir du courant à la bobine et à créer un couple fluide. Les pinces sont reliées par une paire de ressorts plats situés perpendiculairement l'un à l'autre.

Pour être honnête, nous notons qu'en plus du mécanisme classique évoqué ci-dessus, il existe également des appareils avec non seulement des aimants en forme de U, mais aussi des aimants cylindriques, et des aimants en forme de prisme, et même avec des aimants avec un cadre interne, qui eux-mêmes peuvent eux-mêmes être mobiles.

Pour mesurer le courant ou la tension, l'appareil magnétoélectrique est inclus dans le circuit à courant continu selon le circuit ampèremètre ou voltmètre, la différence réside uniquement dans la résistance de la bobine et dans le circuit de connexion de l'appareil au circuit. Bien sûr, tout le courant mesuré ne doit pas traverser la bobine de l'appareil lors de la mesure du courant, et lors de la mesure de la tension, peu d'énergie doit être consommée. Une résistance supplémentaire intégrée dans le boîtier de l'appareil de mesure sert à créer des conditions appropriées.

La résistance de la résistance supplémentaire dans le circuit du voltmètre dépasse de plusieurs fois la résistance de la bobine, et cette résistance est en métal avec un très petit coefficient de température de résistancecomme la manganine ou le constantan. La résistance connectée en parallèle avec la bobine de l'ampèremètre s'appelle un shunt.

La résistance du shunt, au contraire, est plusieurs fois inférieure à la résistance de la bobine de travail de mesure, donc seule une petite partie du courant mesuré traverse le fil de la bobine, tandis que le courant principal traverse le shunt. Une résistance et un shunt supplémentaires permettent d'étendre la plage de mesure de l'appareil.

Le sens de déviation de la flèche de l'appareil dépend du sens du courant à travers la bobine de mesure, par conséquent, lors de la connexion de l'appareil au circuit, il est important d'observer correctement la polarité, sinon la flèche se déplacera dans l'autre sens . En conséquence, les dispositifs magnétoélectriques sous forme canonique ne conviennent pas à la connexion à un circuit alternatif, car l'aiguille vibrera simplement tout en restant au même endroit.

Cependant, les avantages des appareils magnétoélectriques (ampèremètres, voltmètres) incluent une grande précision, une uniformité d'échelle et une résistance aux perturbations générées par les champs magnétiques externes. Les inconvénients sont l'inadéquation de la mesure du courant alternatif (pour mesurer le courant alternatif, vous devrez d'abord le redresser), l'obligation de respecter la polarité et la vulnérabilité du fil fin de la bobine de mesure à la surcharge.