|
Читайте также: |
Широкое применение ферромагнитных материалов в различных областях техники привело к развитию самостоятельной области электрических измерений – магнитных измерений.
Основными измеряемыми величинами обычно являются поток Ф, индукция В, магнитный момент М и напряженность магнитного поля Н. При измерении Ф, В, М и Н используются различные преобразователи магнитных величин в электрические.
Наибольшее применение получили преобразователи, использующие явления электромагнитной индукции; гальваномагнитный эффект (эффект Холла); измерение магнитных свойств материалов при одновременном воздействии на них переменного и постоянного магнитных полей; внутриатомные взаимодействия.
Целью настоящей работы является ознакомление с некоторыми основными методами и приборами для измерения Ф, В, и Н, а также приобретение практических навыков в работе с соответствующей измерительной аппаратурой.
12.1.1. Измерение постоянного магнитного потока индукционным
методом
При индукционном методе измерения, использующем явление электромагнитной индукции, в качестве преобразователя используется катушка (индукционный преобразователь) с известным числом витков – WК.
При изменении потокосцепления в измерительной катушке возникает ЭДС, мгновенное значение которой е = -dΨ/dt, откуда
(12.1)
где r – сопротивление цепи измеряемой катушки.
Из выражения (12.1) видно, что для измерения потокосцепления измерительной катушки необходимы приборы, осуществляющие интегрирование импульса ЭДС или импульса тока. В качестве таких приборов обычно используют баллистический гальванометр или веберметр.
а) Применение баллистического гальванометра
Баллистический гальванометр отличается от обычного магнитоэлектрического гальванометра увеличенным моментом инерции подвижной части. Основное назначение гальванометра – измерение количества электричества кратковременных импульсов тока.
На рис. 12.1 показано устройство такого гальванометра. Здесь 1 – постоянный магнит из высококоэрцеривного материала с полюсными наконечниками из магнито-мягкой стали; 2 – неподвижный сердечник из магнито-мягкой стали; 3 – бескаркасная многовитковая рамка, укрепленная на подвесе – 4;
5 – зеркальце для определения угла поворота подвижной части оптическим методом и 6 – латунный диск для увеличения момента инерции подвижной части. Ток к рамке подводится через подвес 4 и безмоментный токопровод 7.
При прохождении по рамке гальванометра кратковременного импульса тока возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть вначале поварачивается (отбрасывается) на угол α, а затем под действием противодействующего момента возвращается в исходное состояние.
В общем виде величина первого отброса, называемого баллистическим (αб), определяется уравнением:
(12.2)
где SI – чувствительность гальванометра по току; Т0 – период собственных колебаний подвижной части; Q – количество электричества и β – степень успокоения, зависящая от конструктивных параметров и величины сопротивления внешней цепи. Выражение Sб = SIf(β)2π/Т0 называют баллистической чувствительностью.
Величина обратная баллистической чувствительности, называется баллистической постоянной Сб.
(12.3)
Из уравнения (12.2) с учетом (12.3) следует, что измеряемое баллистическим гальванометром количество электричества
(12.4)
Наибольшее отклонение подвижной части баллистического гальванометра пропорционально количеству электричества только в том случае, если время прохождения импульса тока (tимп) мало по сравнению с периодом Т0. При tимп = (0,01 ÷ 0,02) I0 погрешность не превышает 0,2 ÷ 0,3 %.
Измерение потокосцепления измеряемого магнитного поля с катушкой, подключенной к гальванометру и расположенной перпендикулярно магнитным силовым линиям, может быть осуществлено: удалением измерительной катушки за пределы поля, изменением положения катушки, изменением направления измеряемого поля относительно катушки, изменением величины магнитного поля и т.д. Наведенная при этом в катушке ЭДС уравновешивается падением напряжения на сопротивлении цепи и ЭДС самоиндукции:
(12.5)
где WК – число витков катушки; r – сопротивление замкнутой цепи, включая сопротивление измерительной катушки и рамки баллистического гальванометра; L – индуктивность цепи.
Интегрируя (12.5) за период времени, определяемый началом и концом изменения потокосцепления, а так же учитывая, что ток i в эти моменты времени t1 и t2 равен нулю и предполагая L = const, получаем
(12.6)
Подставив в (12.6) значение Q из уравнения (12.4) и опуская знак минус, получим W К Ф = Сб αбr. Откуда
, (12.7)
где Сб´ = Сб r.
При данном неизменном сопротивлении цепи гальванометра величина Сб´ постоянна и может быть определена экспериментально.
На основании (12.7) получаем
(12.8)
где SК – площадь среднего витка измерительной катушки, см2.
Рис. 12.2. Схема установки для градуировки баллистического гальванометра и измерения магнитного потока
На рис. 12.2 приведена схема установки для градуировки баллистического гальванометра и измерения магнитного потока. Установка состоит из двух цепей, связанных катушкой взаимной индуктивности М. В контуре I при разомкнутом ключе К устанавливают ток I. Затем замыкают ключ К и переключателем П коммутируют ток I. При этом произойдет изменение потокосцепления (ΔΨ = 2IМ) обмоток катушки взаимной индуктивности и в контуре II пройдет импульс тока, который вызовет баллистический отброс подвижной части гальванометра – αб´. Так как ΔΨ = 2IМ = Сб´ αб´, то
(12.9)
где М – взаимная индуктивность, Гн; I – ток, А; αб´ – величина первого отброса светового указателя, дел.
Значение Сб´ определяют при нескольких токах I и из полученных значений берут среднее арифметическое.
Кнопка К1 в схеме рис. 12.2 служит для более быстрого успокоения подвижной части баллистического гальванометра.
После определения Сб´ градуировочный контур I отключают, и, разомкнув ключ К, помещают измерительную катушку с известным значением WКSК в воздушный зазор магнитной системы. Затем замыкают ключ К и вынимают катушку из зазора, отмечая при этом максимальный отброс светового указателя.
Значение измеряемой индукции В определяют по формуле (12.8).
Измерение производят несколько раз и в качестве результата берут среднеарифметическое значение. Погрешность измерения магнитного потока баллистическим гальванометром составляет примерно 1,5 ÷ 2 %.
б) Применение веберметра
Веберметр в отличие от баллистического гальванометра обладает меньшей чувствительностью. Однако он более удобен в работе, так как не требует специальной установки и градуировки.
В веберметре используется обычный магнитоэлектрический измерительный механизм со стрелочным отсчетом, но без противодействующего момента. Устройство веберметра показано на рис. 12.3.
Бескаркасная подвижная рамка 1 укреплена на кернах. Выводы рамки через безмоментные токоприводы 2 соединены с переключателем П, ручка которого выведена на панель прибора.
Положение I переключателя П соответствует измерению. При этом обмотка рамки 1 соединена с наружными зажимами, к которым подключена измерительная катушка (ИК) с числом витков WК.
При изменении потокосцепления измеряемого потока Ф с витками катушки ИК возникает ЭДС, под действием которого в цепи I пройдет импульс тока. Возникающий при этом вращающий момент отклонит подвижную часть веберметра на угол Δα = α2 – α1, где α1 и α2 – углы, соответствующие начальному и конечному положению указателя подвижной части.
Эдс е уравновешивается падением напряжения на сопротивлении цепи I, эдс самоиндукции и эдс е´, возникающая в рамке веберметра при отклонении его подвижной части на угол Δα. Эдс е´ при рассмотрении цепи с баллистическим гальванометром не учитывалась, так как из-за большого момента инерции подвижной части движение ее начинается после прохождения импульса тока.
(12.10)
где В – индукция в воздушном зазоре магнитной системы веберметра; s и w – соответственно площадь среднего витка и число витков рамки веберметра.
Следовательно, можно записать
(12.11)
Интегрируя уравнение (12.11) за время изменения потокосцепления от t1 до t2, получаем
(12.12)
Опуская знак минус и пренебрегая, ввиду малых значений r, первым членом правой части уравнения (12.12), имеем
где CB = Bsw – постоянная веберметра, [ Вб/дел ].
Тогда измеряемый магнитный поток равен
(12.13)
Градуировка веберметра практически не зависит от сопротивления внешней цепи, если это сопротивление не превышает определенного предела, указываемого на шкале прибора, а также от скорости изменения измеряемого магнитного потока. Поэтому веберметры чаще всего имеют именованную шкалу и по отклонению показателя Δα непосредственно определяют величину потокосцепления – WKФ, а, следовательно, и магнитный поток, если известно число витков измерительной обмотки.
Веберметр практически не имеет противодействующего момента, поэтому указатель по окончании измерения может занимать любое положение на шкале. Для возвращения указателя в начальное положение используется вспомогательный магнитоэлектрический механизм. В положении II переключателя П (рис. 12.3) рамка веберметра 1 присоединяется к рамке 3 вспомогательного механизма. Рамка 3 механически скреплена с рукояткой, выведенной на панель прибора. Эдс, возникающая в рамке 3 при ее вращении, создает ток в цепи рамки 1. Возникающий при этом вращающий момент поворачивает рамку 1 на некоторый угол. Таким образом, поворачивая рукоятку, можно установить указатель прибора на любую отметку шкалы, принимаемую за начальную. Однако необходимо иметь в виду, что безмоментные токопроводы все же создают некоторый противодействующий момент и указатель веберметра может очень медленно сползать с установленной до измерения и полученной после измерения отметки шкалы. Погрешность измерения магнитных потоков веберметром обычно составляет 3 ÷ 4 %.
В данной работе с помощью веберметра измеряется максимальный магнитный поток Фмакс цилиндрического магнита.
Для измерения Фмакс следует разместить измерительную катушку с известным числом витков на середину цилиндрического магнита и присоединить ее концы к веберметру. Затем, удалив обмотку с магнита, определить по отклонению стрелки веберметра поток Фмакс.
12.2. Измерение индукции и напряженности магнитного
поля приборами, использующие эффект Холла
Эффект Холла заключается в следующем: если пластинку из полупроводникового материала (рис. 12.4) поместить в магнитное поле, вектор индукции которого (В) перпендикулярен плоскости пластины, и пропустить по ней ток I, то на боковых гранях пластинки возникает разность потенциалов – ЭДС Холла Ех, направленная перпендикулярно векторам 
и 
.
(12.14)
где RX – постоянная Холла, определяемая материалом пластинки (германий, мышьяковистый индий, сурмянистый индий и т.д.) и Δ – толщина пластинки.
Из уравнения (12.14) следует, что если I = const, то EX = φ(B).
Приборы, использующие эффект Холла, применяются для измерения индукции как постоянных, так и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот. При этом стараются получить ЭДС Холла переменной, чтобы можно было использовать в схеме прибора усилитель переменного тока. Для этого при измерении индукции постоянного поля через пластинку (преобразователь Холла) пропускают переменный ток. А при измерении индукции переменного поля – постоянный.
Преобразователь Холла обладает высокой чувствительностью, малыми габаритами и независимостью Ех от частоты в достаточно широких пределах (до 1012 Гц). К недостаткам преобразователя Холла следует в первую очередь отнести зависимость его параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры преобразователь Холла в некоторых приборах заключают в термостат.
С целью повышения точности измерения, ЭДС Холла всегда измеряется компенсационным методом.
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 89 | Нарушение авторских прав