Измерение магнитных величин

2.3.1 Средства измерений магнитных величин

2.3.1.1 Задачи магнитных измерений. Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями магнитных величин, называют магнитными измерениями.

Основные задачи магнитных измерений:

- измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и др.);

- определение характеристик магнитных материалов;

- исследование электромагнитных механизмов;

- измерение магнитного поля земли и других планет;

- изучение физико–химических свойств материалов (магнитный анализ);

- исследование магнитных свойств атома и атомного ядра;

- определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия и др.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений, определяются обычно несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н, намагниченность М, магнитный момент m и др.

Во многих способах измерений магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую преобразуется магнитная величина в процессе измерения. Интересующая магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами.

2.3.1.2 Меры магнитных величин. В качестве меры магнитной индукции (напряженности магнитного поля) применяют катушки специальной конструкции (кольца Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток, постоянные магниты.

В качестве меры магнитного потока обычно используют взаимоиндуктивную меру магнитного потока, состоящую из двух гальванически не связанных между собой обмоток

 

и воспроизводящую магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток.

Примером передачи размера единиц может служить градуировка или поверка приборов для измерения магнитных величин, которая производится с помощью мер или образцовых СИ.

2.3.1.3 Принципы построения приборов для измерения магнитных величин. В настоящее время известно много разнообразных приборов и способов для измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля.

Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей:

- измерительного преобразователя, назначение которого является преобразование магнитной величины в величину иного вида (электрическую, механическую), более удобную для преобразований в измерительную информацию;

- измерительного устройствадля измерения выходной величины измерительного преобразователя.

Измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина, называют магнитоизмерительными и делят на три основные группы:

- магнитоэлектрические преобразователи, выходная величина которых электрическая;

- магнитомеханические преобразователи, выходная величина которых механическая;

- магнитооптические преобразователи, выходная величина которых оптическая.

В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления:

- явление электромагнитной индукции;

- силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током;

- гальваномагнитные явления;

- явления изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;

- явления, возникающие при воздействии микрочастиц с магнитным полем.

Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором, либо прибором со специальными характеристиками.

2.3.2 Измерения магнитного потока и магнитной индукции

2.3.2.1 Использование явления электромагнитной индукции. В этом случае для измерения характеристик постоянных и переменных магнитных полей в качестве измерительного преобразователя служит катушка, витки которой сцепляются с магнитным потоком.

При изменении потока Φ в катушке с числом витков w_к возникает э.д.с. е

Если поле в пространстве, охватываемое катушкой, однородно и ось катушки совпадает с направлением векторов В и Н, то, используя связь между Φ, В и Н, вычисляют е по формуле

где s_к – площадь витка измерительной катушки;

μ₀ – магнитная постоянная, равная

Из формул видно, что с помощью катушки магнитные величины могут быть преобразованы в электрическую величину – э.д.с. В практике такие катушки называют измерительными катушками. Основной характеристикой измерительной катушки является произведение числа витков на площадь витка: Это произведение называют постоянной измерительной катушки.

 

При измерении характеристик постоянного во времени магнитного поля необходимо изменить поток, сцепляющийся с витками измерительной катушки. Осуществить изменение потокосцепления в воздухе можно одним из следующих способов:

а) вывестиизмерительную катушку из поля, либо повернуть ее на 180º;

б) вращатьизмерительную катушку в измеряемом поле с постоянной скоростью;

в) качать измерительную катушку относительно ее среднего положения.

Рассмотрим более подробно измерение характеристик магнитного поля при использовании способа а изменения потокосцепления.

При изменении потокосцепления в измерительной катушке возникает ЭДС

(24)

Иначе выражение (7) можно записать

(25)

где R – сопротивление цепи измерительной катушки;

i – ток в цепи измерительной катушки.

При быстром выведении измерительной катушки из поля , а при ее повороте на 180º

Из выражения (25) видно, что для измерения потокосцепления измерительной катушки необходимы приборы, осуществляющие интегрирование импульса ЭДС или импульса тока.

В качестве интегрирующих устройств в магнитных измерениях используют баллистический гальванометр, веберметр и др.

 

Типовые технические характеристики веберметров:

- магнитоэлектрический микровеберметр – предел измерения 10 мВб; приведенная погрешность от 1,0 до 4,0 %; в зависимости от сопротивления внешней цепи (10; 20; 30 Ом);

- фотогальванометрический микровеберметр - предел измерения от 2 до 2000 мкВб; приведенная погрешность от 1,0 до 2,5 %; сопротивление внешней цепи до 10³ Ом;

- цифровоймикровеберметр - предел измерения от 10 мкВб до 10 мВб; приведенная погрешность 0,5 %; сопротивление внешней цепи до 100 Ом.

2.3.2.2 Использование гальваномагнитных эффектов. При измерениях магнитной индукции и напряженности магнитного поля применяют методы измерения, основанные на эффекте Холла и эффекте Гаусса.

Принцип действия прибора на эффекте Холла показан на рисунке 34.

ПХ – преобразователь Холла; У – усилитель.

Рисунок 34 – Схема прибора с преобразованием Холла для измерения магнитной индукции

 

 

Преобразователь представляет собой пластину из полупроводника, по которой протекает ток I. При помещении пластины в магнитное поле, вектор магнитной индукции которого В перпендикулярен к плоскости пластины, на боковых гранях ее возникает разность потенциалов – ЭДС Холла

 

где C – постоянная, которая зависит от свойств материала и размеров пластины;

I – сила тока;

B – магнитная индукция.

После усиления ЭДС Холла измеряется милливольтметром, шкала которого может быть проградуирована в единицах магнитной индукции при условии постоянства значения силы тока.

 

Для повышения точности измерения магнитной индукции измерение ЭДС Холла часто измеряют компенсационным методом.

Приборы на эффекте Холла обладают рядом положительных свойств. Они достаточно просты, имеют удовлетворительную точность (приведенная погрешность от 1,0 до 2,5 % и специальными мерами может быть доведена до 0,5 %), позволяют измерять магнитную индукцию в постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полях. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение магнитной индукции в узких зазорах.

Реже, чем эффект Холла используют эффект Гаусса, суть которого в том, что электрическое сопротивление проводника или полупроводника изменяется при помещении его в магнитное поле.

2.3.2.3 Использование явления изменения магнитного состояния ферромагнитных материалов в магнитном поле. Магнитоизмерительные преобразователи, в которых используется это явление, называют ферромодуляционными. Одним из наиболее распространенных видов является дифференциальный ферромодуляционный преобразователь.

Работа ферромодуляционного преобразователя основана на особенностях изменения магнитного состояния ферромагнитного материала при одновременном воздействии на него переменного и постоянного магнитных полей либо двух переменных полей различных частот.

Если на ферромагнитный материал воздействует только переменное (синусоидальное) магнитное поле напряженностью Н_~, то магнитное состояние его изменяется по симметричным динамическим магнитным циклам, кривая магнитной индукции В_~ несиносоидальна, но симметрична оси времени.

При наложении на переменное поле Н_~ постоянного магнитного поля напряженностью Н_- симметрия нарушается, кривая переменной составляющей индукции В_~ станет несимметричной относительно оси времени, т.е. в составе этой кривой наряду с нечетными появятся четные гармоники, причем степень асимметрии зависит от значения поля Н_-.

По значению ЭДС четных гармоник, индуцированных в обмотке измерительной катушки, в частности по ЭДС второй гармоники, можно судить о значении напряженности или магнитной индукции постоянного магнитного поля.

Устройство дифференциального ферромодуляционного преобразователя схематически показано на рисунке 35. На каждый из двух идентичных по размерам и свойствам сердечников С наматывают одинаковые обмотки возбуждения w, которые включают встречно и питают переменным током. Оба сердечника охватывает индикаторная обмотка w_и. При отсутствии постоянного поля ЭДС на зажимах индикаторной обмотки равна нулю, так как потоки, создаваемые обмотками w, одинаковы и направлены встречно.

Если на переменное поле Н_~ (поле возбуждения) наложить постоянное поле Н_- (измеряемое), вектор которого параллелен оси сердечника, то на зажимах индикаторной обмотки возникнет ЭДС, которая вследствие ассиметрии кривой индукции будет содержать наряду с нечетными гармониками и четные гармоники, причем фаза их будет изменяться на 180º при изменении направления постоянного поля Н_- на обратное.

 

ЭДС четных гармоник (обычно второй) с некоторым приближением является линейной функцией составляющей напряженности постоянного поля , параллельно оси преобразователя

где Е₂ –ЭДС второй гармоники;

k и k₁ – коэффициенты преобразования, определяемые параметрами ферромодуляционного преобразователя, частотой и значением поля возбуждения;

В_- - магнитная индукция.

Для повышения точности измерения в этих приборах используют компенсационный метод измерения, при котором измеряемое поле Н_- компенсируется полем, равным ему и противоположным по знаку.

Структурная схема прибора с автоматической компенсацией измеряемого поля приведена на рисунке 36, где ФП – дифференциальный ферромодуляционный преобразователь, Г – генератор, Ф – фильтр, У – усилитель, ФВ – фазочувствительный выпрямитель, УЧ – удвоитель частоты.

Напряжение частотой f от генератора Г подается на обмотку возбуждения преобразователя ФП. При наложении на переменное поле Н_~ постоянного поля Н_- в обмотке индуцируется ЭДС, вторая гармоника которой через фильтр Ф подается на усилитель У и после усиления на вход фазочувствительного выпрямителя ФВ. Постоянный ток I с выхода ФВ через миллиамперметр поступает в компенсационную обмотку преобразователя ФП. Возникающее при этом магнитное поле напряженностью Н_к компенсирует измеряемое поле Н_-. Опорное напряжение на ФВ подается от генератора Г через удвоитель частоты УЧ. Фазочувствительный выпрямитель необходим в схеме, так как направление измеряемого поля может измениться на 180º, следовательно, должно изменить свое направление и компенсирующее поле.

В схеме применена глубокая отрицательная связь, что повышает точность прибора.

Приборы с феррмодуляционными преобразователями обладают высокой чувствительностью, высокой точностью измерения, позволяют вести непрерывные измерения, что обеспечило им широкое распространение, в частности для измерения магнитного поля Земли.

В зависимости о назначения чувствительность и точность ферромодуляционных тесламетров и напряженности магнитного поля колеблется в широких пределах. Погрешность таких приборов от 0,01 до 1,5 %.

2.3.2.4 Использование явлений, возникающих при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем. Магнитные преобразователи, в которых используются эти явления, называют квантовыми. Существует несколько разновидностей квантовых преобразователей. В качестве примера рассмотрим принцип действия ядерно – резонансного преобразователя, позволяющего измерять магнитную индукцию с высокой точностью.

Работа ядерно – резонансного преобразователя. Ядра атома вещества, обладающие не только моментом количества движения, но и магнитным моментом, при помещении в магнитное поле начинают прецессировать вокруг вектора магнитной индукции внешнего поля.

Прецессией называют движение, при котором ось собственного вращения тела перемещается по поверхности конуса, вершина которого совпадает с неподвижной точкой тела. Частота прецессии f ядер атомов вещества связана с магнитной индукцией внешнего поля соотношением

где γ – гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента ядра атома к моменту количества движения);

В – магнитная индукция.

Измерив частоту прецессии, можно определить значение магнитной индукции. Гиромагнитное отношение измерено для ряда веществ с высокой точностью. Измерение частоты может быть выполнено с погрешностью менее 1∙10^-4 %. Отсюда следует, что рассматриваемый преобразователь может обеспечить измерение магнитной индукции с высокой точностью.

Для измерения частоты прецессии используют различные методы. Один из них основан на явлении ядерного магнитного резонанса. Упрощенная структурная схема прибора, использующего это явление, приведена на рисунке 37.

Если на измеряемое постоянное поле наложить под углом 90º переменное поле В_~, частоту которого можно плавно изменять, то при совпадении частоты прецессии с частотой переменного поля будет наблюдаться явление ядерного магнитного резонанса - амплитуда прецессии возрастает и достигает максимального значения.

 

ЯРП - ядерно – резонансный преобразователь, состоящий из ампулы с водой и охватывающей ее катушки К; Г – высокочастотный генератор; ЭО – электронный осциллограф; Ч – частотомер.

Рисунок 37 – Структурная схема тесламетра с ядерно – резонансным преобразователем

 

Увеличение амплитуды прецессии сопровождается поглощением ядрами энергии переменного поля, что приводит к уменьшению катушки К, а следовательно, и уменьшению напряжения на зажимах катушки (катушка К является элементом колебательного контура высокочастотного генератора Г). Следовательно, в момент резонанса выходное напряжение генератора минимально, что фиксируется с помощью электронного осциллографа ЭО. Частота прецессии измеряется путем измерения частоты генератора.

Тесламетр с ЯРП имеет пределы измерения не менее от 0,25 до 2,5 Тл для постоянных магнитов и от 0,05 до 0,7 Тл для соленоидов. Погрешность измерения ± 0,01 %.

Приборы с этими ЯРП можно использовать для измерения магнитной индукции только однородного магнитного поля, что является их недостатком. Основными достоинствами являются высокая точность измерения магнитных величин (погрешность может быть не более 10^-4 %), высокая чувствительность (порог чувствительности примерно 10^-11 Тл).

2.3.3 Измерение индуктивности

Измерение индуктивности и добротности катушек удобно производить с помощью шестиплечего моста. Схема шестиплечего моста показана на рисунке 38.

Для нахождения условия равновесия моста заменим имеющуюся схему соединения в треугольник (вгд) эквивалентной схемой соединения в звезду с сопротивлениями Z_A, Z_B и Z_C

 

 

Рисунок 38 – Схема шестиплечего моста для измерения индуктивности и добротности катушек (НИ – нуль индикатор)

 

Эта замена преобразует шестиплечий мост в четырехплечий с плечами

,

 

 

Из общего равновесия моста находим

,

Хорошая сходимость моста объясняется независимостью второго условия равновесия от сопротивления резистора R5. Поэтому для достижения равновесия не нарушается дальнейшей регулировкой моста резистором R5, необходимой для выполнения первого условия, а не выполнения сразу двух условий.