книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Меры градиента магнитного поля представляют собой систему ка­ тушек, в пространстве между которыми создается поле, определенная составляющая которого изменяется по линейному закону в пределах некоторой погрешности. Если секции катушек Гельмгольца соединить встречно, то такая система создает поля с индукцией

В (х)= 1,03- Н Г16- ^ - * ,

где х — расстояние от центра катушки.

О

Неравномерность поля при х<С — не превышает 0,5...0,75 %.

В^градиентных катушках (с большим отношением длины к диаметру) создают градиенты магнитного поля с погрешностью до 0,1 %.

Мерами параметров магнитных материалов являются стандартные образцы магнитных свойств. Для магнитотвердых материалов исполь­ зуются стандартные образцы литых материалов, изготовленные из сплавов ЮН13ДК24 и ЮН14ДК24 со следующими номинальными раз­ мерами: длина 15,50 и 60 мм, площадь поперечного сечения 15 X 15 мм2 и-^5 X 30 мм2. При доверительной вероятности 0,95 относительная погрешность по остаточной индукции составляет не более 0,8 %, а по коэрцитивной силе — не более 1,2 %; в остальных точках кривой раз­ магничивания погрешность не превышает 2 % [211.

Для изготовления стандартных образцов магнитомягких материалов в настоящее время применяются электротехнические стали, свойства которых изучены и систематизированы наиболее полно.

Г л а в а 17. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

17.1. Измерение магнитного потока

Измерение магнитного потока постоянного магнитного поля чаще всего осуществляется индукционно-импульсным методом с примене­ нием в качестве первичного преобразователя подвижной измеритель­ ной катушки. При этом измеряют либо импульс тока, либо импульс э. д. с., возникающие при изменении полного потока ДЧГ, сцепляю­ щегося с витками измерительной катушки.

' Измерение импульса тока осуществляется с помощью баллистиче­ ского гальванометра. Как известно, при прохождении через рамку гальванометра кратковременного импульса тока, когда время г дей­ ствия импульса тока не превышает 0,05То (здесь Го — период соб­ ственных колебаний подвижной части гальванометра), первая (макси­ мальная) амплитуда отклонения указателя гальванометра (баллисти­ ческое отклонение)

0

где 5в, С6 — баллистические чувствительность и цена деления галь­ ванометра.

Рис. 17.1. Схема измерения магнитного потока и градуировки баллистического гальванометра

Как показано в п. 16.2, количество электричества А'Р

ЯЯ ’

где Н — сопротивление всей цепи баллистического гальванометра. Следовательно,

I дт _

СЯшах - -сГ — - ~С^ ♦

откуда

Д ^ ~

где Су = С6К — цена деления баллистического гальванометра по потокосцеплению.

Определяют Су обычно экспериментально. При этом, поскольку Су зависит от сопротивления всей измерительной цепи, с целью его неизменности при градуировке и измерениях градуировка осуществ­ ляется по схеме рис. 17.1, объединяющей схему измерения и схему гра­ дуировки.

Если при градуировке изменить ток в первичной цепи катушки взаимной индуктивности М на Д/, то цена деления баллистического гальванометра БГ по потокосцеплению определится как

4 — атах град ’

где ащахград — баллистическое отклонение указателя гальванометра при его градуировке.

Изменение тока Д/ при градуировке БГ осуществляется с помощью переключателя ЗА2: при включении или выключении тока Д/ =* 1,

=21.

Измерив баллистическим гальванометром Д^Р = аиФх и зная числогде I — показания амперметра; при изменении полярности тока Д/ »

витков измерительной катушки, можно найти значение измеряемого потока. При этом, если в процессе измерения полный поток изменяется от Ч*, до нуля, например измерительная катушка выносится за пре­ делы измеряемого поля, то

л ,	СЧ^гаах	’
~	т

а если потокосцепление изменяется от* У, до — ’Р*, например поворогом катушки на 180°, то

_/Г» _ *^Ч,аП1«Х

Для измерения постоянного магнитного потока индукционно-им­ пульсным методом применяются также специальные измерители маг­ нитного потока — в е б е р м е т р ы . Магнитоэлектрический измери­ тельный механизм веберметра отличается от обычных магнитоэлектри­ ческих механизмов тем, что в нем отсутствуют противодействующие пружины, а ток к подвижной рамке подводится с помощью «безмоментных» токоподводов (токоподводов с незначительным противодействую­ щим моментом). В этих условиях отклонение подвижной части про­ порционально импульсу э. д. с., наводимой в подсоединенной к рамке измерительной катушке при изменении ее полного потокосцепления с измеряемым магнитным потоком Фж:

Т

а = 5® | еШ = ЗаЛ1? = ЗфюФ,,

о

где а) — число витков измерительной катушки; 5 ф — чувствительность прибора к потоку.

Таким образом, отклонение указателя веберметра пропорционально измеряемому потоку и практически не зависит от сопротивления его цепи. Это большое преимущество прибора, благодаря которому веберметр может иметь градуированную шкалу и не требует градуировки перед измерением, как при измерениях магнитного потока с помощью баллистического гальванометра. Однако это справедливо при условии, что сопротивление внешней цепи не превышает допустимых значений, указанных в паспорте прибора. .Важным преимуществом веберметра по сравнению с баллистическим гальванометром является также то, что отклонение указателя веберметра в процессе измерения при не­ изменном потоке Ф* мало зависит от скорости изменения потоко­ сцепления измеряемого потока с витками измерительной катушки, т. е. отсутствует методическая погрешность, свойственная баллисти­ ческому методу измерения.

Так как противодействующий момент прибора незначителен, то его указатель может занимать произвольное положение. При определении магнитного потока берут разность показаний прибора Да = а 2 —

— где а! и а а — начальное и конечное показания соответственно. Для установления указателя на нулевую либо другую удобную от­ метку шкалы в приборе используют электрический корректор. При коррекции положения указателя подвижная рамка измерительного механизма должна быть соединена с управляющей катушкой коррек­ тора, которая находится в поле постоянного магнита (рис. 17.2).

С помощью наиболее распространенных магнитоэлектрических мик­ ро- и милливеберметров можно измерять магнитные потоки с погрешностью не более 1_1,5 % при условии, что сопротивление внеш­ ней цепи не превышает порядка 50 Ом для микровеберметра с преде­ лом измерения 500 мкВб и 10 Ом для милливеберметра с пределом измерения 10 мВб. Такие веберметры очень просты и удобны в эксплуа­ тации. Однако их чувствительность уступает чувствительности балли­ стических гальванометров на один-два порядка. Кроме того, следует обратить внимание на такую особенность работы веберметра, как так называемое сползание показаний, т. е. постепенное уменьшение по-

Рис. 17.2. К измерению магнитного по-	Рис. 17.3. Принципиальная схема фото*
тока с помощью веберметра	гальванометрического веберметра

казаний. При этом сползание тем больше, чем больше сопротивление внешней цепи. Явление сползания может быть причиной значительных погрешностей отсчета.

В значительной степени лишен этих недостатков фотогальванометрический веберметр (рис. 17.3). Он представляет собой веберметр с фотогальванометрическим усилителем, имеющим отрицательную обрат­ ную связь по производной выходного тока, которая осуществляется с помощью ^С-цепи. Принцип работы такого прибора заключается в следующем. При изменении потокосцепления в измерительной ка-

тушке возникает э. д. с. ех --------

, под действием которой в цепи

магнитоэлектрического гальванометра потечет ток и вызовет отклоне­ ние его подвижной части. Луч света от зеркальца гальванометра из­ менит освещенность фоторезисторов ФР1 и ФР2, что приведет к раз­ балансу мостовой схемы, составленной из указанных фоторезисторов

и резисторов Р1, Р2. Напряжение разбаланса усиливается и подается

вцепь обратной связи, в результате чего на выходе дифференцирующей #С-цепи появляется напряжение обратной связи, пропорциональное

скорости изменения тока /, т. е. 110.с = к —ц-

Изменение тока будет происходить до тех пор, пока напряжение об­ ратной связи не уравновесит наводимую в измерительной катушке э. д. см т. е. до момента равенства

Сх — 11о.с, или	№	,	а!
	^	~ ^	сИ '

Интегрируя последнее выражение за время изменения магнитного потока, получаем

д / = - п г = - ^ ДФ~

где Д/ — приращение тока на выходе фотогальванометрического уси­ лителя за время изменения потокосцепления ьакДФ* (здесь и>К— ко­ личество витков измерительной катушки).

Благодаря использованию отрицательной обратной связи входное сопротивление фотогальванометрического усилителя увеличивается,

что позволяет использовать измерительные катушки с достаточно вы­ соким сопротивлением (100...200 Ом и более).

Основные технические характеристики некоторых веберметров сле­ дующие: магнитоэлектрический милливеберметр М1119 имеет предел измерения 10 мВб, приведенную погрешность от 1 до 4 % в зависимости от сопротивления внешней цепи (ЕпН= 10...30 Ом); фотогальванометрический микровеберметр Ф191 — 10 пределов измерений от 2 до 2000 мкВб, приведенную погрешность 1 ...2,5 %, сопротивление внеш­ ней цепи— до 1000 Ом; цифровой микровеберметр Ф5050—4 предела измерения от 10 мкВб до 10 мВб, приведенную погрешность ± 0,5 % и допустимое сопротивление внешней цепи до 100 Ом.

Кроме изложенных выше методов, основанных на прямом преобра­ зовании измеряемого магнитного потока, применяется также нулевой индукционно-импульсный метод. В основу этого метода положен прин­ цип сравнения двух импульсов тока или импульсов э. д. с., причем один из них создается измеряемым потоком Ф*, другой — образцовым магнитным потоком или известным изменением потокосцепления, как, например, в схеме рис. 17.1. Если при одновременном изменении из­ меряемого потокосцепления Д1?* = доФ* и известного (компенсирую­ щего) потокосцепления ДЧ^ = МД/ отклонение указателя баллисти­ ческого гальванометра (веберметра) будет отсутствовать, то

ДУ, = Д ^к, т. е. доФ, « МД/,

азначение измеряемого потока

Ф* = — Д/.

хна

Рассмотренная выше схема может быть использована и примени­ тельно к разностному методу, когда небольшая часть сравниваемых импульсов остается неуравновешенной и определяется по отклонению «шах указателя равновесия. Тогда

ф , = - Ё . Д 7 + ^	а	шах*
Ш	ЬУ

Измерение периодически изменяющегося магнитного потока с по­ мощью неподвижных измерительных катушек сводится к измерению наведенной в катушке э. д. с. При этом, если кривая потока симмет­ рична, амплитуда исследуемого потока

Фтах —	ИЛИ Фтах	Е
		4/йфШ •
Где /Гср, Е — соответственно	среднее и действующее значения э. д. с.;

) — частота; кф— коэффициент формы кривой; до — число витков измерительной катушки.

В общем случае форма кривой магнитного потока несинусоидальна. Поэтому для определения Фтах требуется измерить Еср и /. Если же известно, что форма кривой исследуемого потока синусоидальна, то можно измерить вместо Еср действующее значение э. д. с. Е, так как в этом случае известен коэффициент формы кривой кф= 1,11. Следует помнить, что измерение э. д. с. с помощью вольтметра неизбежно при­ водит к появлению методической погрешности, обусловленной потреб­

лением мощности прибором. Значение этой погрешности, как известно, тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление вольтметра. Поэто­ му измерения следует проводить высокоомными, например электрон­ ными, вольтметрами.

17.2.Измерение магнитной индукции

инапряженности магнитного поля

Описанные выше методы измерения магнитного потока могут быть использованы для определения магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Если исследуемое магнитное поле однородно и плос­ кость витков измерительной катушки перпендикулярна к вектору магнитной индукции, то индукция исследуемого магнитного поля мо­ жет быть определена как

	Вх	5К	’
а напряженность однородного магнитного поля в воздухе
где	— площадь витка измерительной катушки.
В	практике магнитных измерений		часто приходится определять

напряженность магнитного поля внутри ферромагнитного образца. Для этого очень часто, основываясь на положении, что касательные со­ ставляющие вектора напряженности магнитного поля на поверхности раздела двух однородных и изотропных сред одинаковы, измеряют на­ пряженность магнитного поля на поверхности исследуемого образца. С целью уменьшения погрешности, вызываемой изменением напряжен­ ности по мере отдаления от образца, измерительная катушка должна быть тонкой и плоской, чтобы ее витки располагались как можно ближе к поверхности образца.

Для непосредственных измерений магнитной индукции постоян­ ных и переменных магнитных полей используются тесламетры с пер­ вичными измерительными преобразователями в виде преобразователей Холла или Гаусса, ферромодуляционных или квантовых преобразователей.

Основными достоинствами преобразователей Холла являются ма­ лые размеры, возможность их использования для измерений магнит­ ной индукции постоянных и переменных магнитных полей, вплоть до частот 1012 Гц в диапазоне от 0,001 до 1...2 Тл. Основными недостатками этих преобразователей являются нестабильность коэффициента преоб­ разования (особенно температурная зависимость постоянной Холла), неэквипотенциальность, дрейф нуля. В современных тесламетрах с преобразователями Холла влияние этих факторов устраняется авто­ матически.

На рис. 17.4 приведена принципиальная схема измерителя магнит­ ной индукции с преобразователем Холла. Преобразователь питается от генератора переменного напряжения частотой 1000 Гц через изме­ рительный трансформатор. Э. д. с. Холла измеряется с помощью ком­ пенсатора. При этом, поскольку компенсатор и преобразователь

Холла питаются от одного и того же источника, исключается погрешность от нестабильности напряжения и час­ тоты источника питания. В приборе предусмотрена коррекция погрешнос­ тей от нелинейности функции преоб­

	разования	преобразователя		Холла.
	По приведенной схеме		выполнен
	измеритель	магнитной	индукции
	Ш1-8, предназначенный для			измере­
Рис. 17.4. Принципиальная схема тес­	ний индукции постоянных			магнит­
ламетра с преобразователем Холла	ных полей в диапазоне от			0,01 до
1,6 Тл. Основная погрешность прибора не превышает ± 2			%.

Для измерений в сильных магнитных полях (до 2... 10 Тл) в каче­ стве первичных преобразователей магнитной индукции часто приме­ няют магниторезисторы [21].

В наиболее точных тесламетрах в качестве первичных преобразо­ вателей используют ЯМР-преобразователи. Схема такого тесламетра, основанного на методе резонансного поглощения, приведена на рис. 17.5, а. Первичный преобразователь (зонд) прибора представляет собой ампулу, наполненную водой, тяжелой водой или водным раство­ ром хлористого лития (в зависимости от требуемого предела измере­ ния). На ампулу намотана катушка индуктивности, входящая в контур высокочастотного генератора (ГВЧ) с регулируемой частотой. При измерении исследуемой индукции Вх регулированием частоты ГВЧ можно добиться резонанса — равенства частот высокочастотного поля и прецессии ядер рабочего вещества. При этом происходят поглоще­ ние энергии и уменьшение амплитуды генерируемых колебаний.

Для уменьшения погрешности фиксации резонанса с помощью подмагничивающей катушки, питаемой от генератора низкой частоты (.ГНЧ), создается переменное магнитное поле, модулирующее постоян­ ное измеряемое магнитное поле (рис. 17.5, б). При наличии низкочас­ тотного подмагничивающего поля вблизи резонанса за период моду­ ляции резонанс повторяется дважды, а за счет поглощения энергии дважды за период модуляции уменьшается амплитуда высокочастот­ ных колебаний (рис. 17.5, в). Сигнал II0 (рис. 17.5, а), демодулированный и усиленный усилителем низкой частоты, подается на осцилло-

[>аф. Если на горизонтальные плас­
тины осциллографа			подать напря­
жение,	синхронизированное с				на­
пряжением		модуляции, то		на	эк­
ране осциллографа			наблюдаются
два резонансных сигнала. Регули­
руя частоту ГВЧ, можно добиться
симметричного расположения резо­
нансных	сигналов		относительно			Рис. 17.в. Принципиальная схема ферро­
середины развертки. Это свидетель­						модуляционного тесламетра
ствует о том, что резонанс				насту­
пает при нулевом значении				В_. Измеряя в этот момент с помощью
частотомера		РЧ частоту		высокочастотных колебаний, определяют
индукцию исследуемого постоянного						магнитного поля.

Метод резонансного поглощения применяют для измерения индук­ ций от 0,005 Тл и выше. Основными составляющими погрешности из­ мерения индукции методом ЯМР являются погрешности определения гиромагнитного отношения, измерения частоты и погрешность фикса­ ции резонанса. Эти составляющие незначительны. Частоту в диапазоне используемого ЯМР (0,2... 20 МГц) можно измерять с погрешностью 0,001 %. Погрешность фиксации резонанса становится практически заметной лишь при значительной неравномерности исследуемого поля. Современные, тесламетры с ЯМР-преобразователями позволяют изме­ рять магнитные индукции с погрешностью 0,005...0,1 %. По рассмот­ ренной выше схеме выполнен ядерно-прецессионный тесламетр Ш1-1 для измерений индукции в пределах от 0,025 до 2,5 Тл с погрешностью 0,01...0,1 %.

На рис. 17.6 приведена структурная схема ферромодуляционного измерителя магнитной индукции. Обмотка возбуждения дифферен­ циального ферроиндукционного преобразователя (зонда) питается от генератора звуковой частоты (ЗГ). При наложении на переменное маг­ нитное поле В^ измеряемого поля Вх в обмотке возбуждается э. д.с.,. вторая гармоника которой через фильтр Ф подается на усилитель У и после усиления — на вход фазочувствительного выпрямителя (ФВ), питаемого от того же генератора (ЗГ) через удвоитель частоты (УЧ). Для повышения точности в этих приборах используют обычно ком­ пенсационный метод измерения, при котором измеряемое магнитное поле компенсируется равным ему по модулю и противоположным по знаку компенсирующим полем. Для создания компенсирующего поля постоянный ток с выхода фазочувствительного выпрямителя поступает на компенсационную обмотку преобразователя и создает компенсирую­ щее поле. В цепь компенсационной обмотки включен миллиамперметр, шкала которого проградуирована в единицах измеряемой величины.

Приборы с ферромодуляционными преобразователями отличаются высокой чувствительностью (порог чувствительности составляет доли нанотесла), сравнительно высокой точностью (погрешность измерения в зависимости от значения измеряемой индукции может быть от ±0,02 до 1 %), позволяют вести непрерывные измерения, что обеспечило им широкое распространение, в частности для измерения магнитного поля Земли.

Г л а в а 18. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

18.1. Основные характеристики магнитных материалов

. Магнитные материалы по общности основных признаков могут быть разделены на магнитомягкие, обладающие высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, и магнитотвердые, об­ ладающие высокой коэрцитивной силой (Нс >- 4 кА/м) и более низкой, чем у магнитомягких, магнитной проницаемостью.

Намагничивание магнитного материала во внешнем магнитном поле напряженностью Я характеризуется зависимостью

В = |А„[АГЯ,

где В — магнитная индукция; р0 — магнитная постоянная; рг — от­ носительная магнитная проницаемость материала.

Графическое изображение этой зависимости при начальных усло­ виях Я = 0 и В = 0 (предварительно размагниченный образец) на­ зывают начальной кривой намагничивания (рис. 18.1, кривая 1).

Если размагниченный материал намагнитить полем напряженно­ стью + Я Ь а затем монотонно изменять ее от + Я ! до — Нг и обратно, то магнитная индукция будет изменяться по кривой, которая называется петлей магнитного гистерезиса. Каждому значению диапазона изме­ нения Я намагничивающего поля соответствует своя петля гистерезиса (рис. 18.1).

При некотором значении напряженности намагничивающего поля в области, близкой к насыщению, форма и размеры петли гистерезиса при дальнейшем увеличении этого значения уже не изменяются, растут лишь ее безгистерезисные участки. Такая петля называется предель­ ной петлей гистерезиса. Точки пересечения предельной петли гистере­ зиса с осями координат определяют остаточную индукцию Вг и коэр­ цитивную силу Не, которые вместе с индукцией насыщения В} яв­ ляются характеристиками магнитных материалов. Свойства некоторых магнитных материалов, особенно ферритов, также характеризуются

коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса кп = Вг/В$.
Материалы, в которых	« 1, называют материалами с прямоуголь­
ной петлей гистерезиса.

Петли гистерезиса, находящиеся внутри предельной, называют частными. Геометрическое место вершин симметричных частных пе­ тель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании материала, называют основной кривой намагничивания (рис. 18.1, кривая 2). Эта кривая воспроизводится лучше, чем начальная кривая намагничивания (меньше зависит от первоначального магнитного со­ стояния образца), и служит основной паспортной характеристикой магнитного материала.

Имея основную кривую намагничивания В =» / (Я), можно опре­ делить значения различных видов относительной магнитной прони­ цаемости.

Наиболее часто используют понятия нормальной магнитной про­ ницаемости р, начальной ра, максимальной |лтах и дифференциальной

Рдиф.