Індукційні та фероіндукційні перетворювачі

Розділ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ МАГНІТНИХ ВЕЛИЧИН

Загальні відомості

Для створення вимірювальних перетворювачів магніт­них величин використовують різні прояви магнітного поля —електричний, механічний, оптичний та ін.

При цьому досліджувана магнітна величина пере­творюється з допомогою вимірювального перетворюва­ча на іншу, більш зручну для безпосереднього вимірю­вання.

Для побудови вимірювальних перетворювачів магніт­них величин на електричні використовують різні фізичні явища й ефекти, в яких сукупність магнітних величин (по­тік, індукція, напруженість магнітного поля) пов'язані з вихідними електричними величинами строгими функціо­нальними залежностями.

Із перетворювачів магнітних величин на електричні най­більш поширеними є індукційні, фероіндукційні, гальвано­магнітні та квантові.

Індукційні та фероіндукційні перетворювачі викорис­товують явище електромагнітної індукції, причому в остан­ніх застосовуються електричні кола з феромагнітними осер­дями.

Гальваномагнітні перетворювачі використовують ефек­ти, що виникають у речовинах, через які проходить елек­тричний струм при одночасній дії на них магнітного поля. Для перетворення магнітних величин звичайно використо­вують гальваномагнітні ефекти Холла (магнітогенераторний) та Гаусса (магніторезистивний).

Квантові перетворювачі грунтуються на використанні атомних, ядерних і електронних резонансних явищ, що виникають при збудженні атомів деяких речовин зовнішнім магнітним полем.

Індукційні та фероіндукційні перетворювачі

Типовим представником індукційних перетворювачів І вимірювальна котушка (В/С). Якщо BK з площею контура витка S і числом витків w розміщена в магнітному полі (рис. 157), то повний магнітний потік, що зчіплюється з ко­тушкою (потокозчеплення)

де Н — напруженість магнітного поля, πµ₀= 4π • 10^-7 Гн/м — магнітна стала, µ— відносна магнітна проникність середовища; а —кут між напрямом вектора Н і нормаллю до площини витків.

При зміні потоку в контурі ВК. наводиться е. р. с.

Якщо магнітне поле рівномірне, то

а коли, крім цього, магнітна проникність середовища в усіх точках, охоплених контуром витків котушки, є однаковою і сталою в часі, то

Отже, наведена у ВК е. р. с. при певних умовах може бути мірою магнітного потоку, індукції або напруженості магнітного поля.

Значення е. р. с., що наводиться у ВК, при інших рів­них умовах залежить від добутку wS. У загальному випадку котушка може бути багатошаровою з різним значенням S окремих витків. Тому усереднене значення wS, що носить назву сталої вимірювальної котушки K_ws, визначається експериментальне у відомому магнітному полі.

Вимірювальні котушки можна застосовувати для маг­нітних вимірювань у постійному чи в змінному магнітних полях. У першому випадку потокозчеплення можна зміню­вати швидким винесенням ВК за межі досліджуваного поля. Тоді за проміжок часу t_z —t _г буде

де і —струм; Q —кількість електрики; R — опір усього ко­ла ВК, включаючи опір вимі­рювального приладу.

Отже, вимірявши імпульс е. р. с. або імпульс струму (кількість електрики) і знаючи R, можна визначити зміну по­току, а при вище згаданих умо­вах також зміну індукції або зміну напруженості магнітного поля.

При використанні нерухомих ВК для вимірювань у змінному періодичному магнітному полі матимемо

ДЄ Фмах І γмах — амплітуди потоку і повного потокозчеплення відповідно; Е і Е_ср —діюче і середнє значення е. р. с.; / — частота; К_ф — коефіцієнт форми кривої.

Залежно від призначення вимірювальні котушки мо­жуть мати різні конструкції. Для вимірювань потоків змінного, а також постійного магнітних полів, коли зміна потокозчеплення з котушкою може здійснюватись зміною самого потоку, застосовують нерухомі котушки. В інших випадках застосовують рухомі (виносні, поворотні, обертові, вібруючі) котушки. Стаціонарні вимірювальні котушки виконують звичайно плоскими, прямокутного перерізу з парним числом шарів обмотки так, щоб початок і кінець її були в одному місці посередині котушки.

Окремим різновидом індукційного перетворювача є маг­нітний потенціалометр, що призначений для вимірювання різниці магнітних потенціалів у двох точках простору.

Потенціалометр являє собою плоску котушку на гнуч­кому або жорсткому каркасі однакового перерізу з рівно­мірно намотаною обмоткою. Число шарів витків є парне, щоб можна було вивести кінці обмотки з середини потен-ціалометра (рис. 158). Потенціалометри з гнучким карка­сом (рис. 158,а) можна застосовувати для вимірювання різ­ниці магнітних потенціалів між будь-якими двома точками магнітного поля, а з жорстким (рис. 158,6) —між двома точками на відстані / між торцями потенціалометра.

Якщо на одиницю довжини dl потенціалометра по його осі припадає w витків, то потокозчеплення з витками wdl буде

де H_t — тангенціальна складова напруженості магнітного поля до осі потенціалометра; S — площа перерізу потенціалометра.

Якщо S і w незмінні по всій довжині потенціало­метра, то повне потокозчеплення його витків

де f_l —різниця магнітних потенціалів між точками про­стору А і В; /Сп = wS\i₀ — стала потенціалометра.

Принцип дії фероіндукційних перетворювачів (ферозондів) полягає у використанні зміни магнітного стану феро­магнетику, намагнічуваного змінним магнітним полем збу­дження, при накладанні сталого магнітного поля, індукція якого вимірюється. Існує кілька видів ферозондів, які від­різняються між собою способом збудження й просторовою орієнтацією магнітних полів (ферозонди з поздовжнім і по­перечним збудженням), формою феромагнітного осердя (стержневі, кільцеві, трубчасті), використанням основної чи другої гармоніки е. р. с. і т. д.

Найбільш поширеними є двостержневі ферозонди з по­здовжнім збудженням. Такі ферозонди мають два ідентичні пермалоєві стержні з нанесеними на них намагнічуючими обмотками w1, увімкненими зустрічно-послідовно (рис. 159). Вимірювальна обмотка w2 охоплює обидва стержні. Амплі­туда напруженості намагнічуючого поля ферозонда має бути достатньою для намагнічування стержнів практично до насичення і значно більшою за напруженість досліджува­ного поля Н_х.

При повній ідентичності обох половин перетворювача і відсутності досліджуваного поля, е. р. с., наведена у вимі­рювальній обмотці, внаслідок симетрії потоків дорівнює нулю. При наявності підмагнічуючого (вимірюваного) поля, в напрямку якого розміщені стержні ферозонда, симетрія потоків порушується (в одному стержні вимірюване поле додається до намагнічуючого, в другому —віднімається), тому у вимірювальних обмотках появляється е. р. с. вищих парних гармонік (непарні гармоніки віднімаються). Наве­дена е. р. с. є мірою досліджуваного поля Н_х. При зміні напрямку підмагнічуючого поля на протилежний фаза ви­хідної е. р. с. змінюється на 180°.

Оскільки у вихідному сигналі такого перетворювача переважає амплітуда другої гармоніки, то вони звичайно носять назву ферозондів другої гармоніки.

Ферозонди є винятково чутливими перетворювачами. З їх допомогою можна вимірювати напруженість магніт­ного поля від 10 ~⁶ А/см з похибкою 1—2%. У зв'язку з цим ферозонди широко застосовуються в магнітній дефектоско­пії, при структурному магнітному аналізі, геофізичних до­слідженнях і дослідженні магнітних матеріалів тощо.

З допомогою ферозондів можна також вимірювати напру­женість змінного магнітного поля, але за умови, що частота збудження хоча б на порядок перевищуватиме частоту ви­мірюваного поля.

Дата добавления: 2015-07-14