ПЕТЕРБУРГСКИЙ

Г ОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ

K.K. Kим, г.Н. Анисимов

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Часть 4 Учебное пособие

Санкт-Петербург

2006

УДК 621.317.39

ББК 31.221

Kим k.K., Анисимов г.Н.

Электротехнические средства измерений. Ч.4: Учебное пособие . – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2006. – 60 с.

Библ.: 6. Рис. 25.

Приведены сведения по классификации электротехнических средств измерений. Рассмотрены принципы действия, устройство, назначение и эк4сплуатационные свойства электротехнических средств измерения.

Настоящее издание предназначено для студентов технических специальностей заочной формы обучения, самостоятельно изучающих дисциплину «Метрология, стандартизация и сертификация», а также работников метрологических служб предприятий Министерства транспорта.

 K.K. Kим, Г.Н. Анисимов, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

12.2. Приборы для измерения магнитной индукции………………….. 13. Электрические преобразователи и приборы для измерения неэлектрических величин………………………………………………. 13.1. Основные понятия и классификации……………………………. 13.2. Измерительные преобразователи и приборы, в которых они применяются……………………………………………………………. 13.3. Основные разновидности применяемых измерительных схем……………………………………………………. 14. Контрольные вопросы и задачи……………………………………. 14.1. Вопросы……………………………………………………………. 14.2. Задачи ……………………………………………………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………….. Литература………………………………………………………………..

4 7 7 9 21 22 22 32 40 60

12.2. Приборы для измерения магнитной индукции

Тесламетр – это магнитоизмерительный прибор для измерения магнитной индукции, шкала которого градуирована в единицах магнитной индукции – теслах.

Тесламетр с преобразователем Холла. В этом приборе магнитоизмерительным преобразователем является датчик Холла, представляющий собой полупроводниковую пластину, по которой протекает ток I. В магнитном поле, вектор магнитной индукции B которого перпендикулярен плоскости пластины, на ее боковых гранях возникает ЭДС Холла

E_Х = CIB ,

где C – постоянная, зависящая от свойств материала и размеров пластины.

Таким образом, при I = const ЭДС Холла пропорциональна магнитной индукции. Величина E_Х (после усиления) может быть измерена, например, милливольтметром, шкала которого градуирована в единицах магнитной индукции.

Тесламетр с преобразователем Холла позволяет измерять магнитную индукцию (или напряженность магнитного поля) постоянных, переменных (в диапазоне частот до 100 кГц) и импульсных магнитных полей. Датчик Холла имеет небольшие размеры, что позволяет измерять индукцию в малых зазорах (например, в пазах электрических машин). У выпускаемых промышленностью тесламетров верхние пределы измерений лежат в пределах от 2 ∙ 10^-3 до 2 Тл, основная приведенная погрешность – ± (1,5 – 2,5) %.

Ферромодуляционный тесламетр. Принцип действия такого тесламетра основан на компенсации измеряемой магнитной индукции (или напряженности магнитного поля) методом уравновешивания. Основным узлом прибора является дифференциальный ферромодуляционный преобразователь, состоящий из двух одинаковых по свойствам и размерам пермаллоевых сердечников с одинаковыми, включенными встречно обмотками возбуждения w_в, питающимися переменным током от генератора.

При отсутствии внешнего (измеряемого) поля ЭДС на зажимах индикаторной обмотки w_и равна 0, так как потоки, создаваемые обмотками возбуждения w_в, равны по величине и противоположны по направлению. При появлении внешнего поля B_вн, вектор которого параллелен осям сердечников, кривая переменной составляющей индукции становится несимметричной относительно оси времени, т. е. в составе этой кривой появляются четные гармоники, которые будут индуцировать ЭДС в индикаторной обмотке w_и, в частности, для второй гармоники E₂ можно считать

E₂ ≈ k₁B_вн = k₂H_вн ,

где k₁ и k₂ – коэффициенты преобразования (зависят от параметров преобразователя, частоты и значения напряженности поля возбуждения), B_вн – измеряемая индукция, H_вн – напряженность магнитного поля.

Выходной сигнал индикаторной обмотки w_и через избирательный усилитель, усиливающий вторую гармонику, создает в третьей, размещенной на сердечниках преобразователя обмотке w_к компенсирующее поле с индукцией B_к. В конце концов в обмотке w_к устанавливается ток, создающий поле, полностью компенсирующее измеряемое. Измеряя этот ток с помощью миллиамперметра, шкала которого градуирована в теслах (или в амперах на метр), можно измерять индукцию В_вн (или напряженность H_вн) магнитного поля.

Ферромодуляционные тесламетры применяют для измерения магнитной индукции (или напряженности магнитного поля) небольших постоянных и низкочастотных (до 1 кГц) переменных магнитных полей. Они обладают высокой чувствительностью (диапазон измерений индукции лежит в пределах от 10^-6 до 1 мТл) и хорошей точностью (погрешность измерения 1 – 5 %).

В настоящее время нашли применение цифровые ферромодуляционные тесламетры, имеющие повышенную точность и быстродействие.

Ядерно-резонансный тесламетр. Принцип действия этого тесламетра основан на явлении ядерного резонанса, который состоит в том, что при помещении во внешнее магнитное поле магнитные моменты ядер атомов рабочего вещества начинают прецессировать вокруг вектора магнитной индукции B_вн внешнего поля с частотой f, пропорциональной величине этой индукции:

,

где γ – отношение магнитного момента ядра атома к его моменту количества движения (гиромагнитное отношение). Измеряя частоту прецессии, можно определить значение магнитной индукции.

Измерение частоты прецессии осуществляется методом, основанным на явлении ядерного магнитного резонанса, а именно: на измеряемое магнитное поле под углом 90⁰ накладывается переменное поле, частоту которого можно плавно менять. При совпадении частот прецессии и накладываемого переменного поля возникает резонанс, и амплитуда прецессии резко возрастает. Момент резонанса фиксируется с помощью электронного осциллографа. Частота прецессии определяется измерением частоты переменного поля в момент резонанса.

Измерение частоты может быть выполнено с погрешностью ≤ ±10^-4 %. Гиромагнитное отношение определяется также с достаточно высокой точностью (например, для ядер атомов водорода погрешность составляет ± 2 ∙ 10^-4 %). Вследствие этого основная приведенная погрешность ядерно-резонансных тесламетров лежит в пределах ± (0,001 – 0,1) % в зависимости от типа прибора. Кроме того, эти тесламетры имеют высокую чувствительность и широкий диапазон измерений (10^-12 – 10 Тл). Применяются ядерно-резонансные тесламетры для измерения параметров постоянных и переменных (до 20 кГц) магнитных полей.

Сверхпроводниковый тесламетр. Принцип действия этого тесламетра основан на явлении сверхпроводимости, что в сочетании с некоторыми физическими эффектами позволяет создавать приборы уникальной чувствительности и высокой точности. Рассмотрим принцип действия одного из них.

Магнитоизмерительный преобразователь (сплошной цилиндр из сверхпроводящего материала, на который намотаны измерительная обмотка и нагреватель) помещается во внешнее измеряемое магнитное поле. Нагреватель обеспечивает периодический, с частотой 1 МГц, нагрев и охлаждение цилиндра до температуры, большей и меньшей критической соответственно для данного сверхпроводящего материала. В результате происходит периодическое выталкивание магнитного потока из объема цилиндра (эффект Мейснера), а значит и изменение потокосцепления его с измерительной обмоткой. В соответствии с законом электромагнитной индукции на зажимах этой обмотки возникает ЭДС, пропорциональная напряженности измеряемого магнитного поля.

Сверхпроводниковые тесламетры имеют уникальный порог чувствительности (10^-15 Тл) и высокую точность, но применимы для измерения полей частотой только до 1 кГц, имеют сложную аппаратуру и поэтому высокую стоимость.