Mikä on galvanometri – määritelmä, toiminta ja käyttö
Mikä on galvanometri – selkeä määritelmä, toimintaperiaate ja käytännön käyttö. Tutustu analogiseen ampeerimittariin, mittaukseen ja sovelluksiin.
Galvanometri on eräänlainen ampeerimittari. Se on sähkövirran havaitsemiseen ja mittaamiseen tarkoitettu laite. Se on analoginen sähkömekaaninen muunnin, joka tuottaa rajoitetun valokaaren kautta pyörivän taipuman vasteena käämin läpi kulkevalle sähkövirralle. Termi on laajennettu kattamaan saman mekanismin käyttö tallentavissa, paikannus- ja servomekaanisissa laitteissa.
Mitä galvanometri tekee ja miten se toimii
Galvanometri havaitsee ja osoittaa erittäin pieniä sähkövirtoja mittaamalla sähkövirran synnyttämän magneettisen voiman ja muuttamalla sen mekaaniseksi poikkeamaksi (viivaimen tai peilin kallistukseksi). Yleisimmissä tyypeissä on pysyvä magneetti ja siihen sijoitettu käämi, joka vapaasti voi kääntyä tai olla ripustettuna kierteisellä langalla. Kun käämin läpi kulkee virta, magneettikenttä aiheuttaa momentin, joka taivuttaa käämiä; taivutuksen suuruus ilmaisee virran suuruuden.
Tärkeimmät tyypit
- Liikkuvakäämidiagnostinen (D'Arsonval) – yleisin laboratorio- ja koulukäytössä. Siinä käämi on sijoitettu pysyvän magneetin kenttään ja siihen on kiinnitetty neula tai peili. Peiliversioita käytetään hyvin pienien vaihtovirtojen havaitsemiseen.
- Liikkuvatera (moving-iron) – toimii myös suuremmilla virtatasoilla ja on yksinkertaisempi/raskaampi kuin liikkuvakäämi.
- Peiligalvanometri – käämiin kiinnitetty pieni peili heijastaa valonsädettä, jolloin hyvin pieniä poikkeamia voidaan mitata tarkasti (käytetty mm. optisissa mittauksissa ja laserin kohdistuksessa).
Herkkys ja mittayksiköt
Galvanometrin herkkyyttä mitataan usein täyden skaalan virrana (full-scale deflection, FSD), esimerkiksi mikroampeereina (µA). Toisinaan herkkyys ilmaistaan kulmanmuutoksena per virta- tai jännitelähtökelpoisuus. Herkät galvanometrit pystyvät havaitsemaan femto- tai picoampeereita, kun ne on suojattu häiriöiltä ja mitattu vakaissa olosuhteissa.
Muunnetaanko galvanometri ampeerimittariksi tai volttimittariksi?
- Ampeerimittari: galvanometri voidaan muuntaa mittaamaan suurempia virtoja lisäämällä shuntti (pieni rinnakkainen resistanssi). Suuri osa virrasta kulkee shuntin kautta, jolloin vain osa virrasta kulkee galvanometrin läpi ja sen poikkeama voidaan kalibroida kokonaissuuntaan.
- Volttimittari: sarjaresistorin avulla galvanometri voidaan muuttaa jännitemittariksi. Sarjaresistorin arvo valitaan siten, että haluttu jännite aiheuttaa täyden skaalan virran galvanometriin.
Käyttökohteet
- Herkkien tasasähkövirtojen mittaus laboratorioissa ja mittauspiireissä.
- Null-mittaukset ja silta-asetelmien tarkka säätö (esim. Wheatstone-silta).
- Optiset ja laser-sovellukset (peiligalvanometrit skannaamiseen ja kohdistukseen).
- Historiallisesti telegraphiassa ja signaalien havaitsemisessa; nykyään usein korvattu elektronisilla vahvistimilla ja digitaalisilla mittareilla mutta edelleen tärkeä referenssilaite ja instrumenttitekniikan opetusväline.
Kalibrointi ja huolto
Galvanometrit on kalibroitava säännöllisesti käyttämällä tunnettuja virtalähteitä tai kalibroitua standardia. Nolla-asetuksen (zero) tarkistus ja tarvittaessa kompensointi ovat tärkeitä ennen herkkien mittausten aloittamista. Mekaaninen kunto, ripustuksen kierrejännitys ja magneettikenttien puhtaus vaikuttavat mittaustarkkuuteen — voimakkaat ulkoiset magneettikentät ja tärinä voivat vääristää tuloksia.
Rajoitukset ja nykyaikainen rooli
Galvanometrit ovat herkkiä ja sopivat pienvirtojen mittaukseen, mutta niillä on rajoituksia: dynaaminen vaste (vastettaajuus), mekaaninen herkkyys tärinälle ja maksimivirta. Modernit digitaaliset instrumentit ja alipäästövahvistimet korvaavat monet perinteiset käyttötapaukset, mutta galvanometrit ovat edelleen arvokkaita, kun tarvitaan hyvin stabiilia analogista indikaatiota tai erittäin pientä kohina-arvoa.
Lyhyt historiateko
Sana "galvanometri" juontaa juurensa termiin "galvaninen" ja on yhteydessä varhaisiin tutkimuksiin sähköilmiöistä (mm. Luigi Galvani). Ensimmäiset galvanometrityypit kehittyivät 1800-luvulla, ja ne olivat keskeisiä sähkömittauksen kehityksessä.
Yhteenvetona: galvanometri on herkkä, analoginen laite pienten sähkövirtojen havaitsemiseen ja mittaamiseen. Sen toimintaperiaate perustuu virran aiheuttamaan magneettiseen momenttiin ja sitä käytetään edelleen mittaus- ja optisissa sovelluksissa, vaikka monet käytännön mittaukset onkin siirretty moderneille elektronisille laitteille. Galvanometrit voidaan myös muuntaa laajempia virtoja tai jännitteitä mittaaviksi laitteiksi shunt- tai sarjaresistoriratkaisuin, ja ne vaativat huolellisen kalibroinnin tarkkoihin mittauksiin.
Operaatio
Tutuin käyttötapa on analoginen mittauslaite, jota kutsutaan usein mittariksi. Sitä käytetään mittaamaan sähköpiirin läpi kulkevaa tasavirtaa (sähkövarauksen virtausta). Nykyisin käytössä oleva D'Arsonval/Weston-muoto on rakennettu pienellä kääntyvällä lankakelalla kestomagneetin kentässä. Kela on kiinnitetty ohueen osoittimeen, joka kulkee kalibroidulla asteikolla. Pieni vääntöjousi vetää kelan ja osoittimen nolla-asentoon.
Kun kelan läpi kulkee tasavirta, kela synnyttää magneettikentän. Tämä kenttä vaikuttaa kestomagneettia vastaan. Kela kiertyy, painaa jousen vasten ja liikuttaa osoitinta. Osoitin osoittaa sähkövirtaa osoittavaa asteikkoa. Napakappaleiden huolellisella suunnittelulla varmistetaan, että magneettikenttä on tasainen, jolloin osoittimen kulma on verrannollinen virtaan. Käyttökelpoisessa mittarissa on yleensä varuste liikkuvan kelan ja osoittimen mekaanisen resonanssin vaimentamiseen, jotta osoitin asettuu nopeasti asentoonsa ilman värähtelyä.
Tangenttigalvanometri
Tangenttigalvanometri on varhainen mittauslaite, jota käytettiin sähkövirran mittaamiseen. Se toimii käyttämällä kompassineulaa tuntemattoman virran synnyttämän magneettikentän vertaamiseksi maan magneettikenttään. Se on saanut nimensä toimintaperiaatteestaan, magnetismin tangenttilain mukaan, jonka mukaan kompassineulan muodostaman kulman tangentti on verrannollinen kahden kohtisuorassa olevan magneettikentän voimakkuuden suhteeseen. Sen kuvasi ensimmäisen kerran Claude Servais Mathias Pouillet vuonna 1837.
Tangenttigalvanometri koostuu eristetystä kuparilankakäämistä, joka on kiedottu pyöreään ei-magneettiseen kehykseen. Kehys on asennettu pystysuoraan vaakasuoralle alustalle, jossa on tasausruuvit. Kelaa voidaan kääntää sen keskipisteen kautta kulkevan pystyakselin ympäri. Kompassirasia on asennettu vaakasuoraan pyöreän asteikon keskelle. Se koostuu pienestä, voimakkaasta magneettineulasta, joka kääntyy kelan keskipisteessä. Magneettineula voi vapaasti pyöriä vaakatasossa. Pyöreä asteikko on jaettu neljään kvadranttiin. Kukin kvadrantti on porrastettu 0°:sta 90°:een. Pitkä ohut alumiininen osoitin on kiinnitetty neulaan sen keskelle ja suorassa kulmassa siihen nähden. Kompassineulan alapuolelle on asennettu tasopeili parallaksista johtuvien virheiden välttämiseksi.
J.H.Bunnell Co:n noin vuonna 1890 valmistama tangenttigalvanometri.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on galvanometri?
A: Galvanometri on eräänlainen ampeerimittari, jota käytetään sähkövirran havaitsemiseen ja mittaamiseen.
K: Kenen henkilön mukaan galvanometri on nimetty?
A: Galvanometri on nimetty Luigi Galvanin mukaan.
K: Minkälaisen ulostulon galvanometri tuottaa sähkövirran vaikutuksesta?
V: Galvanometri tuottaa käämin läpi kulkevan sähkövirran vaikutuksesta pyörivän poikkeaman.
K: Mikä on galvanometrin tuottaman poikkeaman alue?
V: Galvanometri tuottaa rajoitetun poikkeaman kaaren.
K: Mitä muita käyttötarkoituksia galvanometrissä käytetyllä mekanismilla on?
V: Samaa galvanometrissä käytettävää mekanismia käytetään tallentavissa, paikannettavissa ja servomekaanisissa laitteissa.
K: Onko galvanometri digitaalinen vai analoginen laite?
V: Galvanometri on analoginen sähkömekaaninen muunnin.
K: Mikä on galvanometrin tarkoitus?
V: Galvanometrin tarkoituksena on mitata ja havaita sähkövirta.
Etsiä