검류계

자석과 회전 코일을 보여주는 초기 다르손발 검류계

검류계는 전류를 측정하는 전기 기계 장치이다.초기 검류계는 교정되지 않았지만 전류계라고 불리는 개량된 버전이 교정되었고 전류 흐름을 더 정확하게 측정할 수 있었다.

전류계는 일정한 자기장에서 코일을 흐르는 전류에 반응하여 포인터를 꺾음으로써 작동합니다.전류계는 일종의 액추에이터라고 생각할 수 있다.

전류계는 1820년 Hans Christian örsted에 의해 처음 언급된 관찰에서 비롯되었으며, 전류가 흐르는 전선 근처에 있을 때 자기 나침반의 바늘이 휘어진다고 합니다.그들은 소량의 전류를 감지하고 측정하는 데 사용된 최초의 기구였다.외르스테드의 발견에 수학적인 표현을 한 앙드레 마리 암페르는 1791년 전류가 죽은 개구리의 다리를 움직이게 한다는 개구리 아연도금기의 원리를 발견한 이탈리아 전기 연구자 루이지 갈바니의 이름을 따서 이 악기의^[1] 이름을 지었다.

검류계는 많은 분야에서 과학과 기술의 발전에 필수적이었다.예를 들어 1800년대에 그들은 최초의 대서양 횡단 전신 케이블과 같은 해저 케이블을 통한 장거리 통신을 가능하게 했으며, 미세한 전류 측정을 통해 심장과 뇌의 전기 활동을 발견하는 데 필수적이었다.

검류계는 또한 다른 종류의 아날로그 미터(광도계 및 VU 미터)의 디스플레이 구성품으로 사용되어 이러한 미터기의 출력을 캡처했다.오늘날에도 여전히 사용되고 있는 주요 검류계는 다르손발/웨스턴 타입입니다.

작동

다르손발/웨스턴형 검류계 다이어그램.전류가 코일(주황색 부분)을 통해 +에서 -로 흐르면 코일 내에 자기장이 발생합니다.이 필드는 영구 자석에 의해 상쇄되며 전류 흐름으로 인해 발생하는 필드 강도에 비례하여 코일을 비틀어 포인터를 움직입니다.

다르손발/웨스턴 유형의 최신 전류계는 영구 자석 분야에서 스핀들이라고 불리는 작은 선회 코일로 구성됩니다.코일은 보정된 스케일을 가로지르는 얇은 포인터에 부착됩니다.작은 비틀림 스프링이 코일과 포인터를 0 위치로 당깁니다.

코일에 직류(DC)가 흐르면 코일은 자기장을 생성합니다.이 장은 영구 자석에 반한다.코일이 비틀리면서 스프링을 누르고 포인터를 움직입니다.그 손은 전류를 나타내는 눈금을 가리키고 있다.극 조각을 신중하게 설계하면 포인터의 각도 편향이 전류에 비례하도록 자기장이 균일해집니다.유용한 미터는 일반적으로 이동 코일 및 포인터의 기계적 공진을 감쇠시켜 포인터가 진동하지 않고 신속하게 제 위치에 안착하도록 하는 장치를 포함한다.

미터의 기본 감도는 예를 들어 100마이크로암페어 풀스케일 수 있습니다(전류에서 전압 강하가 50밀리볼트).이러한 미터는 종종 그 규모의 전류로 변환할 수 있는 다른 양을 판독하기 위해 교정됩니다.종종 션트라고 불리는 분류기를 사용하면 더 큰 전류를 측정하기 위해 미터를 교정할 수 있습니다.미터는 풀스케일 전류를 생성하는 데 필요한 전압을 계산하여 코일의 저항을 알 수 있는 경우 DC 전압계로 교정할 수 있습니다.미터는 분압회로에 넣어 다른 전압을 읽도록 구성할 수 있습니다.일반적으로 미터 코일에 저항을 직렬로 배치하면 됩니다.미터는 기존의 전압(배터리)과 조정 가능한 저항과 직렬로 배치하여 저항을 판독하는 데 사용할 수 있습니다.준비단계에서는 회로를 완성하고 저항을 조정하여 풀스케일 편향을 발생시킨다.알 수 없는 저항을 회로에 직렬로 배치하면 전류가 풀 스케일 미만이 되며, 적절히 보정된 스케일은 이전에 알 수 없었던 저항 값을 표시할 수 있습니다.

다양한 종류의 전기량을 포인터 움직임으로 변환하는 이러한 기능은 전기를 출력하는 다른 센서의 출력을 사람이 읽을 수 있는 것으로 바꾸는데 이상적입니다.

일반적으로 미터기의 포인터는 미터기의 눈금보다 약간 위쪽에 있으므로, 작업자가 포인터와 "일직선"을 읽는 경우 시차 오류가 발생할 수 있습니다.이에 대응하기 위해 일부 계량기에는 주 눈금 표시와 함께 거울이 포함되어 있습니다.미러 스케일의 판독 정밀도는 포인터와 포인터의 반사가 일직선이 되도록 스케일을 읽는 동안 머리를 위치시킴으로써 향상됩니다. 이때 작업자의 눈은 포인터 바로 위에 있어야 하며 시차 오차는 최소화되었습니다.

사용하다

폐루프 검류계 구동 레이저 주사 미러

아마 전기 기기의 아날로그 미터기에 사용되는 다손발/웨스턴 타입의 검류계가 가장 많이 사용되었을 것이다.1980년대 이후, 검류계 타입의 아날로그 미터 이동은 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 대체되어 많은 용도로 사용되고 있습니다.디지털 패널 미터(DPM)에는 ADC 및 숫자 디스플레이가 포함되어 있습니다.디지털 계측기의 장점은 정밀도와 정확도가 높다는 것이지만, 전력 소비량이나 비용과 같은 요소들은 여전히 아날로그 미터기 이동의 적용에 유리할 수 있습니다.

과거의 용도

검류계의 주요 초기 용도는 통신 케이블의 결함을 발견하는 것이었다.그것들은 20세기 후반에 시간 영역 반사계에 의해 이 응용 프로그램에서 대체되었다.

검류계 메커니즘은 필름 카메라의 미터링 메커니즘에 있는 포토레지스터로부터 판독치를 얻기 위해서도 사용되었습니다(인접 이미지 참조).

심전도, 뇌파 및 거짓말 탐지기 등에 사용되는 아날로그 스트립 차트 레코더에서는 검류계 메커니즘이 펜을 위치시키는 데 사용되었다.검류계 구동 펜이 있는 스트립 차트 레코더는 100Hz의 풀 스케일 주파수 응답과 수 센티미터의 편향을 가질 수 있습니다.

역사

한스 크리스티안 외르스테드

와이어의 전류에 의한 자기 나침반 바늘의 편향은 1820년 Hans Christian örsted에 의해 처음 설명되었습니다.그 현상은 그 자체와 전류를 측정하는 수단 둘 다로 연구되었다.

슈바이거와 앙페르

최초의 검류계는 1820년 9월 16일 할레 대학의 요한 슈바이거에 의해 보고되었다.앙드레 마리 앙페르도 개발에 기여했습니다.초기 설계에서는 와이어를 여러 번 돌려 전류에 의해 발생하는 자기장의 영향을 증가시켰습니다.처음에는 이러한 일반적인 설계 ^[2]특성 때문에 "승수"라고 불렸습니다.1836년에 일반적으로 사용된 "갈바노미터"라는 용어는 1791년 전류가 죽은 개구리의 다리를 움직이게 한다는 것을 발견한 이탈리아 전기 연구자 루이지 갈바니의 성에서 유래되었다.

포겐도르프와 톰슨

1858년에 특허를 받은 톰슨 미러 검류계.

원래, 그 기구들은 나침반 바늘에 복원력을 제공하기 위해 지구의 자기장에 의존했다.이것들은 "접선" 검류계라고 불리며 사용하기 전에 방향을 정해야 했습니다.이후 "정적" 유형의 기구는 지구장으로부터 독립하기 위해 반대되는 자석을 사용했고 어떤 방향으로든 작동할 수 있었다.

초기 거울 검류계는 1826년 요한 크리스티안 포겐도르프에 ^{[citation needed]}의해 발명되었다.무정전 검류계는 1849년 헤르만 폰 헬름홀츠에 의해 발명되었다.; 그 장치의 더 민감한 버전인 톰슨 거울 검류계는 1858년 윌리엄 톰슨(켈빈 ^[3]경)에 의해 특허를 받았다.톰슨의 디자인은 나침반 바늘 대신 실에 매달린 경량 거울에 부착된 작은 자석을 사용하여 매우 빠른 전류 변화를 감지할 수 있었습니다.거울에 비치는 광선의 편향은 작은 전류에 의해 유발되는 편향을 크게 확대했다.또는 현탁 자석의 편향을 현미경을 통해 직접 관찰할 수 있다.

게오르크 옴

전압과 전류를 정량적으로 측정할 수 있는 능력을 통해 1827년 조지 옴은 도체의 전압이 도체를 통과하는 전류에 정비례한다는 옴의 법칙을 공식화할 수 있었습니다.

다르손발과 데프레즈

초기 다르손발 이동 코일 검류계

초기의 이동 자석 형태의 검류계는 주변의 자석이나 철괴의 영향을 받고 전류에 선형적으로 비례하지 않는다는 단점이 있었다.1882년 Jacques-Arsen D'Arsonval과 Marcel Deprez는 고정 영구 자석과 움직이는 코일이 있는 형태를 개발하였고, 코일에 전기적 연결을 제공하고 토크를 복원하여 영점 위치로 되돌리는 가는 가는 가는 와이어로 매달았다.자석의 극 조각 사이에 있는 철관은 코일이 회전하는 원형 간격을 정의했다.이 간격은 코일에 걸쳐 일관된 방사형 자기장을 생성하여 계측기 범위 전체에 걸쳐 선형 응답을 제공합니다.코일에 부착된 거울이 코일의 위치를 나타내기 위해 빔을 굴절시켰습니다.집중된 자기장과 섬세한 현탁액으로 인해 이러한 계측기는 민감하게 되었습니다. 다르손발의 초기 계측기는 10 ^[4]마이크로암페어를 검출할 수 있었습니다.

에드워드 웨스턴

다르손발/웨스턴 검류계(1900년 경)자석의 왼쪽 극 조각의 일부가 코일을 보여주기 위해 깨져 있습니다.

휴대용 케이스의 웨스턴 검류계

에드워드 웨스턴은 검류계 설계를 대폭 개선했다.그는 가는 와이어 서스펜션을 피벗으로 대체하고 기존의 손목시계 밸런스 휠 헤어 스프링이 아닌 나선 스프링을 통해 토크와 전기 연결을 복원했습니다^{[further explanation needed]}.그는 영구 자석의 자기장을 안정화시키는 방법을 개발하여 시간이 지남에 따라 일관된 정확도를 갖게 되었다.그는 광선과 거울을 직접 읽을 수 있는 칼끝 포인터로 교체했다.포인터 아래의 거울은 축척과 동일한 평면에 있어 시차 관측 오류를 제거했습니다.전계 강도를 유지하기 위해 Weston의 설계에서는 코일이 이동하는 매우 좁은 원주 슬롯을 사용하여 공기 간격을 최소화했습니다.코일 전류에 대한 포인터 편향의 선형성이 개선되었습니다.마지막으로, 코일은 댐퍼 역할을 하는 전도성 금속으로 만들어진 가벼운 형태로 감겨졌습니다.1888년까지 에드워드 웨스턴은 특허를 취득하여 표준 전기 장비 부품이 된 이 악기의 상업적인 형태를 선보였습니다.장착 위치나 이동 시 영향을 거의 받지 않기 때문에 "휴대용" 기기로 알려져 있습니다.이 디자인은 오늘날 ^{[citation needed]}이동 코일 미터에서 거의 보편적으로 사용되고 있습니다.

처음에, 포인터에 복원력을 제공하기 위해 지구 자기장에 의존하는 실험용 기구는 전기 기술 발전에 필수적인 작고 견고하며 민감한 휴대용 기기로 개발되었습니다.

토트밴드 무브먼트

타우밴드 운동은 다르손발-웨스턴 운동의 현대적 발전이다.보석의 피벗과 헤어스프링은 장력을 받는 작은 금속 조각으로 대체됩니다.이런 미터는 현장에서 ^[5]^[6]사용하기에는 더 견고하다.

종류들

검류계에는 크게 두 가지 종류가 있습니다.일부 검류계는 측정값을 표시하기 위해 저울에 솔리드 포인터를 사용하고, 다른 매우 민감한 유형은 저수준 신호의 기계적 증폭을 제공하기 위해 미니어처 미러와 광선을 사용합니다.

접선 검류계

접선 검류계는 전류를 측정하는 데 사용되는 초기 측정기입니다.그것은 알려지지 않은 전류에 의해 생성된 자기장을 지구의 자기장과 비교하기 위해 나침반 바늘을 사용하여 작동한다.그것은 나침반 바늘이 만드는 각도의 접선이 두 수직 자기장의 강도의 비율에 비례한다는 작동 원리인 자기 탄젠트 법칙에서 이름을 얻었다.그것은 1834년 ^[7]^[8]^[9]^[10]요한 야콥 네르반더에 의해 처음 기술되었다.

접선전류계는 절연동선의 코일이 원형 비자성 프레임에 감겨져 있다.프레임은 수평 나사로 제공되는 수평 베이스에 수직으로 장착됩니다.코일은 중심을 통과하는 수직 축에서 회전할 수 있습니다.나침반 박스는 원형 눈금 중앙에 수평으로 설치된다.코일의 중앙에 피벗된 작고 강력한 자기 니들로 구성됩니다.자석 바늘은 수평면에서 자유롭게 회전합니다.원형 스케일은 4개의 사분면으로 나뉩니다.각 사분면은 0° ~ 90°의 눈금이 매겨집니다.가늘고 긴 알루미늄 포인터가 니들의 중앙과 직각에서 니들에 부착됩니다.시차로 인한 오류를 방지하기 위해 나침반 니들 아래에 평면 미러가 장착되어 있습니다.

작동 시 나침반 바늘로 표시된 지구의 자기장이 코일의 평면과 평행할 때까지 기기가 먼저 회전합니다.그런 다음 알 수 없는 전류가 코일에 인가됩니다.그러면 코일의 축에 지구의 자기장과 수직인 두 번째 자기장이 생성됩니다.나침반 바늘은 두 필드의 벡터 합에 반응하여 두 필드 비율의 탄젠트와 동일한 각도로 꺾입니다.나침반의 눈금에서 읽은 각도에서 표에서 ^[11]전류를 찾을 수 있었다.전류 공급 와이어는 돼지 꼬리처럼 작은 나선형으로 감아야 합니다. 그렇지 않으면 와이어로 인한 필드가 나침반 니들에 영향을 미쳐 잘못된 판독값을 얻을 수 있습니다.

접선 검류계
Ville de Genéve 미술관에 전시된 1850 파우일레 접선 검류계
1890년경 J. H. Bunnell사가 만든 접선 검류계.
접선 검류계의 윗모습은 1950년경에 만들어졌다.나침반의 지시침은 더 짧은 검은색 자석침과 수직입니다.

이론.

검류계는 코일의 평면이 수직이 되고 지구 자기장의 수평 $구성 H$ 요소 B와 평행하도록(즉, 로컬 "자기 자오선"과 평행하게) 방향을 잡습니다.전류계 코일에 전류가 흐르면 두 번째 $자기장$ B가 생성됩니다.나침반 바늘이 있는 코일의 중심에서 코일의 자기장은 코일의 평면에 수직입니다.코일 영역의 크기는 다음과 같습니다.

({displaystyle B=mu_{0}nI \over 2r},

$여기$ 서 I는 전류(암페어 단위), $n$ 은 코일의 $회전수$ , r은 코일의 반지름입니다.이 두 개의 수직 자기장은 벡터적으로 더해지고 나침반 바늘은 $결과물$ 인_H B+B의 방향을 따라 향합니다.코일의 전류로 인해 나침반 바늘이 $θ만큼$ 회전합니다.

\theta =\tan^{-1}{\frac {B}{B_{H}}}}},},

탄젠트 법칙에서 B= $Btan H$ $θ$ , 즉

{\displaystyle\mu_{0}nI\over 2r}=B_{H}\tan \theta,}

또는

I=\left(\frac {2rB_{)H}}{\mu _{0}n}}\right)\tan \theta \,

$또는$ I = K tan $δ$ . $여기$ 서 K는 접선 검류계의 환원 계수라고 합니다.

접선 검류계의 문제 중 하나는 고전류와 저전류 모두에서 분해능이 떨어진다는 것입니다.최대 분해능은 $θ$ 값이 45°일 때 구한다. $is$ 의 값이 0° 또는 90°에 가까울 경우, 큰 비율의 전류 변화는 Needle을 몇 ^[12]도만 이동시킵니다.

지자기장 측정

접선전류계를 사용하여 지자기장의 수평성분의 크기를 측정할 수도 있다.이렇게 사용하면 배터리 등의 저전압 전원이 레오스타트, 아연도계, 전류계와 직렬로 연결됩니다.먼저 전류계는 코일이 지자기장과 평행하도록 정렬됩니다. 지자기장은 코일에 전류가 흐르지 않을 때 코일의 방향을 나침반이 나타냅니다.그런 다음 배터리를 연결하고 나침반 바늘이 지자기장에서 45도 꺾일 때까지 레오스타트를 조정하여 코일 중앙의 자기장 크기가 지자기장의 수평 구성요소의 크기와 동일함을 나타냅니다.이 전계 강도는 전류계, 코일의 회전수 및 코일의 반지름으로 측정된 전류로부터 계산할 수 있습니다.

무정전 검류계

정전기 검류계는 접선 검류계와 달리 지구 자기장을 측정하기 위해 사용하지 않기 때문에 지구장에 대해 방향을 잡을 필요가 없어 사용이 편리하다.1825년 ^[13]레오폴도 노빌리에 의해 개발된 이 자석침은 서로 평행하지만 자극은 반대로 되어 있는 두 개의 자석침으로 구성되어 있다.이 바늘들은 비단 ^[14]실 한 가닥으로 매달려 있다.하부 니들은 와이어의 수직 전류 감지 코일 안에 있으며 위의 접선 검류계와 같이 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 편향됩니다.두 번째 바늘의 목적은 첫 번째 바늘의 쌍극자 모멘트를 취소하는 것이므로 현수식 전기자는 순 자기 쌍극자 모멘트가 없으므로 지구 자기장의 영향을 받지 않습니다.니들의 회전은 각도에 비례하는 서스펜션 나사산의 비틀림 탄성에 의해 반대됩니다.

노빌리의 무정전 검류계
Genéve 미술관에 전시된 검류계
무정전 검류계 세부 사항입니다.

미러 검류계

극소전류를 감지하기 위한 높은 감도를 달성하기 위해 미러 검류계는 포인터 대신 경량 미러를 사용합니다.그것은 미세한 섬유에 매달린 수평 자석으로 구성되어 있으며, 와이어의 수직 코일 안에 있고, 자석에 거울이 부착되어 있습니다.거울에서 반사된 빛은 방을 가로질러 눈금 있는 축척으로 떨어져 길고 질량이 없는 포인터 역할을 합니다.거울 검류계는 1850년대에 대서양 해저 1000마일을 여행한 후 극미량의 전류 파동을 감지하기 위해 대서양 횡단 해저 전신 케이블의 수신기로 사용되었다.오실로그래프라고 불리는 장치에서, 움직이는 빛은 사진 필름에 측정치를 기록함으로써 전류 대 시간의 그래프를 만들기 위해 사용됩니다.현 검류계는 매우 민감한 거울 검류계의 한 종류로, 인간의 심장의 전기 활동에 대한 최초의 심전도를 만드는 데 사용되었다.

탄도 검류계

탄도 검류계는 그것을 통해 방출되는 전하량을 측정하기 위한 감응 검류계의 한 종류입니다.전류 측정 검류계와 달리 응답 시간이 길기 때문에 적분기입니다.이동 부품에는 통합 측정을 수행할 수 있을 만큼 긴 진동 주기를 제공하는 큰 관성 모멘트가 있습니다.이동 코일 또는 이동 자석 유형 중 하나일 수 있습니다. 일반적으로 미러 검류계입니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

검류계 - 인터랙티브 Java 튜토리얼 국립고자기장연구소
막스플랑크 과학사연구소 가상실험실 역사전류계 선정
이력 코너: Nick Joyce와 David Baker의 Gurbonometer, 2008년 4월 1일 물리과학 학사.2022년 2월 26일 취득.

[1] 쉬퍼, 마이클 브라이언입니다(2008)"전자기학이 밝혀짐" 전력투쟁:에디슨 이전의 과학 권위와 실용 전기의 창조.페이지 24.

[2] "Schweigger Multiplier – 1820". Maglab. National High Magnetic Field Laboratory. Retrieved 17 October 2017.

[3] 린들리, 데이비드, 도스 켈빈: 천재, 발명, 비극 이야기, 132-133페이지, 조셉 헨리 프레스, 2004 ISBN 0309167825

[4] Keithley, Joseph F. (1999). The story of electrical and magnetic measurements: from 500 B.C. to the 1940s. John Wiley and Sons. pp. 196–198. ISBN 0-7803-1193-0.

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[6] ttp://www.dictionarycentral.com/definition/taut-band-meter.html^{[베어 URL]}

[7] Nervander, J.J. (1834). "Mémoire sur un Galvanomètre à châssis cylindrique par lequel on obtient immédiatement et sans calcul la mesure de l'intensité du courant électrique qui produit la déviation de l'aiguille aimantée" [Memoir on a cylindrical-frame galvanometer by which one obtains immediately and without calculation the measurement of the intensity of the electric current which produces the deflection of the magnetic needle]. Annales de Chimie et de Physique (Paris) (in French). 55: 156–184.

[8] Pouillet, Claude (1837). "Mémoire sur la pile de Volta et sur la loi générale de l'intensité que prennent les courrants, soit qu'ils proviennent d'un seul élément, soit qu'ils proviennent d'une pile à grande ou à petite tension" [Memoir on the Voltaic pile [i.e., battery] and on the general law of the intensity that currents assume, whether they come from a single element or they come from a pile of high or low voltage]. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences (in French). 4: 267–279.

[9] 모리츠 야코비 galvanometers 물의 양 전류에 의해 분해된:야코비, M.(1839년)를 측정하여 교정."Ueberdas chemischeunddas magnetische-Galvanometer"[화학과 자기장 검류계에].Annalen Physik 운트 Chemie 해부학자.2시리즈(독일어로)48(9):26–57.Bibcode:1839AnP...124...26J.doi:10.1002/andp.18391240903.

[10] Venermo, J.; Sihvola, A. (June 2008). "The tangent galvanometer of Johan Jacob Nervander". IEEE Instrumentation & Measurement. 11 (3): 16–23. doi:10.1109/MIM.2008.4534374. S2CID 27081490.

[11] Greenslade Jr., Thomas B. "Tangent Galvanometer". Kenyon College. Retrieved 26 April 2016.

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