3.3 Средства измерения магнитных величин

Основным нормативным документом, содержащим классификацию и определения средств измерения магнитных величин, является ГОСТ 20906-75 [73]. Он содержит общую классификацию и определения о мерах, измерительных преобразователях и магнитоизмерительных приборах магнитных величин.

Напомним, что к элементарным средствам измерения относятся измерительные преобразователи и меры. Рассмотрим их применительно к магнитным величинам.

Мера магнитной величины – мера, предназначенная для воспроизведения магнитной величины. Различают меры магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента (см. рисунок 3.6). Обособленно в качестве мер можно рассматривать стандартные образцы свойств магнитных материалов, которые будут рассмотрены в отдельном подразделе.

Мера магнитной индукции может иметь два исполнения – индуктивная мера с катушками и мера с постоянным магнитом (магнитами). Индуктивная мера магнитной индукции - мера магнитной индукции, представляющая собой катушку или несколько катушек с одной или с несколькими гальванически связанными между собой обмотками и воспроизводящая магнитную индукцию при пропускании по ее обмотке (обмоткам) электрического тока. Ее разновидностью является мера магнитной индукции с электромагнитом – индуктивная мера магнитной индукции, представляющая собой магнитную цепь, содержащую магнитопровод и охватывающую его обмотку. Однако, вместо электромагнита можно использовать и магнитотвердый материал, так получают мера магнитной индукции с постоянным магнитом (магнитами) – мера магнитной индукции, представляющая собой магнитную цепь, содержащую постоянный магнит (магниты) и воспроизводящая в воздушном зазоре магнитную индукцию

Мера магнитного потока представляет из себя взаимоиндуктивную меру или меру с измерительной катушкой. Взаимоиндуктивная мера магнитного потока – мера магнитного потока, состоящая из двух гальванически несвязанных между собой обмоток, воспроизводящая магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток. Мера магнитного потока с измерительной катушкой – мера магнитного потока, состоящая из меры магнитной индукции и измерительной катушки, помещенной в создаваемое этой мерой магнитное поле

Мера магнитного момента может быть катушечной или сделанной из магнетика. Катушечная мера магнитного момента – мера магнитного момента в виде катушки, воспроизводящая магнитный момент при пропускании по ее обмотке электрического тока. Мера магнитного момента из магнетика – мера магнитного момента в виде тела, устойчиво сохраняющего свою намагниченность, в какой-то мере это стандартный образец (СО) магнитного свойства магнитного материала.

В данный момент времени существуют несколько государственных первичных эталонов (ГПЭ) магнитных величин. Рассмотрим для примера два из них.

Первый из них воспроизводит единицу магнитной индукции постоянного поля в диапазоне от 0,05 до 2 Тл. Данный эталон состоит из эталонного измерителя магнитной индукции, основанного на явлении ядерного магнитного резонанса, электромагнита со сложной системой воздушных зазоров, в которых создаются однородные магнитные поля, стабилизированного источника питания электромагнита и устройства для стабилизации магнитного поля в рабочих зазорах электромагнита [74]. Таким образом, данный государственный первичный эталон представляет собой меру магнитной индукции с электромагнитом. Этот эталон обеспечивает воспроизведение единицы магнитной индукции со средним квадратичным отклонением S₀ результата измерений не более 1^.10^-6 Тл при неисключенной систематической погрешности ₀ = 3^.10^-6  Тл.

Методом прямого сличения с государственным первичным эталоном поверяют образцовые катушечные меры магнитной индукции 2-го разряда с доверительной вероятностью 0,02 %. При сличении используют образцовые тесламетры 1-го разряда. Образцовые меры магнитной индукции 3-го разряда с доверительной вероятностью 0,02 % в виде катушек, постоянных магнитов и электромагнитов поверяют методом прямых измерений с помощью образцовых тесламетров 2-го разряда. Рабочие меры магнитной индукции также выпускают в трех исполнениях с допускаемой относительной погрешностью 0,2-1,5 %.

Второй государственный первичный эталон является комплексным, так как воспроизводит и хранит несколько магнитных величин, перечисление и характеристики которых приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.4 – Характеристики государственного первичного эталона

по ГОСТ 8.090-91[75 ]

Величина	Диапазон частот	Диапазон величин	Среднее квадратическое отклонение, S0	Систематическая погрешность, 0
магнитная индукция	Постоянное поле	1.10–5– –5.10–4 Тл	1.10–6– –3.10–7	1.10-6
магнитный поток	Постоянное поле	1.10–5– –1.10–2 Вб	1.10–2– –5.10–6	3.10–3– –1.10–5
отношение магнитной индукции к силе тока	1-10000 Гц	1.10–6– –5.10–4 Тл/А	2,5.10–4– –1.10–4	3.10–4– –1,5.10-4
отношение магнитного потока к магнитной индукции	0-500 Гц	1.10–3– –5 Вб/Тл	1.10–3– –1.10–5	3.10–4– –5.10–5

Данный эталон состоит из расчетной катушки магнитных величин; цезий-гелиевого тесламетра-компаратора; квантовой меры постоянного тока; квантового компаратора переменного поля и индукционного компаратора. Таким образом, этот эталон является катушечным. Методом прямого сличения с данным ГПЭ поверяют государственные рабочие эталоны единиц магнитной индукции постоянного (1^.10^–8–5^.10^–4 Тл) и переменного (1^.10^–9–1^.10^–3 Тл) полей, а также единицы магнитного потока (1^.10^–5–1^.10^–2 Вб).

Методами прямого сличения и прямых измерений далее поверяют:

• образцовые меры 1-го разряда – магнитной индукции переменного поля и магнитного потока;

• образцовые меры 2-го разряда – магнитной индукции постоянного поля; магнитной индукции переменного поля и магнитного потока из магнитного материала (1^.10^–7–1^.10^–2 Вб);

• Образцовые меры 3-го разряда – магнитной индукции постоянного поля и магнитной индукции переменного поля;

• Рабочие меры - магнитной индукции постоянного поля (1^.10^–8–5^.10^–2 Тл); магнитной индукции переменного поля (1^.10^–8–5^.10^–2 Тл, 0–20000 Гц), магнитного момента (1^.10^–5–1^.10³ А^.м², 0–20000 Гц).

Второй группой элементарных средств измерения являются магнитоизмерительные преобразователи - измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина. Магнитоизмерительный преобразователи можно классифицировать по трем признакам (см. рисунок 3.7):

• по типу преобразования, т.е. по природе преобразования входного сигнала в выходной. Различают три типа преобразователей. Магнитоэлектрический преобразователь – магнитоизмерительный преобразователь, у которого выходная величина – электрическая, функционально связанная с входной магнитной величиной. Магнитомеханический преобразователь – магнитоизмерительный преобразователь, у которого выходная величина – механическая, функционально связанная с входной магнитной величиной. Магнитооптический преобразователь – магнитоизмерительный преобразователь, оптические свойства чувствительного элемента которого функционально связаны с входной магнитной величиной. Самыми распространенными являются магнитоэлектрические преобразователи.

• по зависимости выходного сигнала от направления вектора входной величины. Различают векторный и скалярный преобразователи – у векторного преобразователя значение выходного сигнала зависит от расположения чувствительного элемента преобразователя по отношению к направлению вектора входной величины, у скалярного – не зависит.

• по приложению внешней энергии – активный и пассивный магнитоизмерительные преобразователи. Активный магнитоизмерительный преобразователь управляется внешним источником энергии, пассивный не требует внешнего источника.

Самыми распространенными являются магнитоэлектрические преобразователи, которые можно сгруппировать по физическому принципу преобразования:

1. Индукционные магнитоэлектрические преобразователи – основанные на использовании явления электромагнитной индукции. Эта группа включает в себя индукционно-периодические и индукционно-импульсные преобразователи – выходной величиной у этих преобразователей является э.д.с., входной величиной – магнитная величина, постоянная или изменяющаяся во времени (в случае импульсного преобразователя определяется импульс э.д.с.). Часто к индукционным преобразователям относят и ферромодуляционные магнитоэлектрические преобразователи –преобразователи, действие которых основано на использовании модуляции магнитного состояния ферромагнитных сердечников (сердечника), возбуждаемых вспомогательным переменным магнитным полем или переменным магнитным полем с наложением постоянного поля. Часто этот тип преобразователей называют феррозондами, но данный термин не рекомендован нормативными документами.

2. Гальваномагнитные магнитоэлектрические преобразователи – преобразователи, действие которых основано на использовании одного из гальваномагнитных явлений;

3. Квантовые магнитоэлектрические преобразователи – преобразователи, действие которых основано на взаимодействии микрочастиц, подчиняющихся квантово-статистическим закономерностям, с измеряемой магнитной индукцией

Рассмотрим несколько наиболее распространенных магнитоэлектрических преобразователей. Самыми известными являются индукционный катушечный преобразователь и гальваномагнитный преобразователь Холла.

Индукционный катушечный преобразователь. Согласно ГОСТ 20906-75 [73] вращающаяся измерительная катушка – индукционный преобразователь, представляющий собой катушку жесткой конструкции с одно- или многослойной обмоткой с известной площадью поперечного сечения всех витков всех обмоток, снабженная устройством, приводящим её во вращение с известной постоянной скоростью. Для измерения индукции В статического (постоянного) магнитного поля применяют вращающуюся катушку с площадью контура S, числом витков n и угловой частотой . Если площадь витка достаточно мала, то индукцию можно считать постоянной в пределах площади витка. Тогда магнитный поток Ф через площадь, ограниченную одним витком, определяется как , где В_n – компонента индукции В, нормальная оси вращения катушки,  - мгновенное значение угла между плоскостью витка катушки и вектором магнитной индукции В_n. Если учесть, что угловая скорость связана с мгновенным значением угла  соотношением , то получим выражение преобразования, в котором входная величина – магнитная индукция, выходная - индуцируемое переменное напряжение в измерительной катушке:

(3.23)

Обратим внимание, что параметры, связанные с конструкцией катушки, и её скорость вращения можно объединить в постоянную катушки С_к. Отметим, что описанный преобразователь является векторным и пассивным.

Гальваномагнитный преобразователь Холла. Данный преобразователь основан на использовании эффекта Холла. Часто этот тип преобразователя называют датчиком Холла. Суть данного эффекта состоит в том, что если пластинку из электропроводящего материала, в которой течет электрический ток I, поместить в магнитное поле с индукцией В, перпендикулярное плоскости пластины, то под действием силы Лоренца носители электрического заряда q, движущиеся со скоростью v, будут отклоняться в направлении перпендикулярном и направлению вектора В и направлению вектора I. В результате возникнет поперечное электрическое поле Е, которое будет действовать на заряды с силой , в направлении противоположном силе Лоренца. В некоторый момент времени достигается равновесие между силой Лоренца и силой электрического поля . С учетом того, что получим . Причем скорость заряда связана с величиной плотности электрического тока , где n – плотность носителей зарядов. Плотность электрического тока i определяется величиной тока I, текущего через пластину, и её площадью поперечного сечения . Тогда, с учетом того, что поперечное электрическое напряжение , где b – ширина пластины датчика Холла. ( , где d – толщина пластины датчика Холла) получим:

, (3.24)

где R_H – постоянная Холла.

Обычно в качестве материала пластины используется полупроводник, т.к. полупроводники имеют большую постоянную Холла, поскольку у них меньше концентрация носителей заряда, чем у металлов-проводников.

Отметим, что основной проблемой датчика Холла (преобразователя Холла) является то, что вообще-то скорость зарядов не является постоянной – скорости носителей заряда распределены вокруг среднего значения скорости. Из-за этого постоянная Холла оказывается между 0,8 и 1,2 от теоретического значения. Описанный преобразователь – датчик Холла – является векторным и активным.

Необходимо отметить, что приведенная в ГОСТ 20906-75 [73] классификация не содержит данных об устройстве мер и преобразователей, и не содержит сведений о некоторых типах преобразователей.

Магнитоизмерительные приборы классифицируют в зависимости от измеряемой ними магнитной величины. Различают веберметры – измерители магнитного потока, тесламетры – измерители магнитной индукции, измерители напряженности магнитного поля, магнитного момента и магнитодвижущей силы. Классификация магнитоизмерительных приборов приведена на рисунке 3.8.

Тесламетры различают по использованному первичному магнитоизмерительному преобразователю, например, в ферромодуляционном тесламетре – ферромодуляционный преобразователь, в атомном тесламетре – атомный преобразователь и т.д.

Веберметры – магнитоизмерительные приборы, предназначенные для измерения магнитного потока, шкала которых градуированы в веберах. Веберметры подразделяются в зависимости от первичного преобразователя на магнитоэлектрический и фотогальванометрический, отметим, что фотогальванометрический преобразователь является одновременно усилителем, что обеспечивает данному прибору наибольшую чувствительность. Например, для широко применяемого микровеберметра Ф191 она составляет 2^.10^–8 Вб.

С развитием микроэлектронной элементной базы получили распространение веберметры с интеграторами на операционных усилителях. Выходное напряжение u_вых такого усилителя пропорционально интегралу от входного u_вх:

(3.25)

где R – электрическое сопротивление, Ом;

С – емкость усилителя, Ф.

Самая большая проблема таких веберметров – дрейф нуля электронной системы. Из-за его наличия

(3.26)

и при уменьшении времени измерения  влияние дрейфа нуля u_дрейфа стремится к нулю.