Національний університет біоресурсів і природокористування України

РЕФЕРАТ

На тему :

« вимірювання магнітних величин»

Підготував :

Студент 3-го курсу

Факультету Е і А

Групи ЕЕТС 1201

Тимощук Владислав

Перевірив :

Резніченко Т.П.

Київ 2014

План

1. Вступ

2. Завдання магнітних вимірів.

3. Принципи побудови приладів для вимірювання магнітних величин

4. Вимірювальні перетворювачі та прилади магнітних величин

5. Висновки

6. Список використаної літератури

Вступ

Перед оглядом розглянемо декілька термінів які нам будуть зустрічатись і потрібні для розуміння принципів роботи приладів для вимірювання магнітних величин.

Магнітна індукція - вектор , чисельно рівний межі відносини сили, що діє з боку магнітного поля на елемент провідника з електричним струмом , до добутку струму і довжини елемента провідника , якщо довжина цього елемента прагне до нуля , а елемент так розташований у полі , що ця межа має найбільше значення , і спрямований перпендикулярно до напрямку елемента провідника і до напрямку сили, що діє на цей елемент з боку магнітного поля , причому з його кінця обертання по найкоротшій відстані від напрямку сили до напрямку струму в елементі провідника має бути видно, що відбувається проти годинникової стрілки.

Магнітне поле - різновид електромагнітного поля, створювана рухомими електричними зарядами або струмами і що надає силовий вплив на рухомі електричні заряди або струми.

Тесламетр - (від тесла і ... метр), прилад для вимірювання індукції або напруженості магнітного поля в не феромагнітному середовищі.

Датчик Холла (перетворювач Холла) - пристрій для отримання залежного від магнітної індукції електричного сигналу, принцип роботи якого заснований на ефекті Холла.

Ефект Холла - виникнення поперечного електричного поля і різниці потенціалів в провіднику або напівпровіднику, по якому проходить електричний струм, при приміщенні його в магнітне поле, перпендикулярне напрямку струму.

Флюксметр – прилад для вимірювання магнітного потоку

Крива гістерезису – крива яка показує хід залежності намагнічування від напруження зовнішнього поля.

Існує декілька видів реалізації вимірювальних приладів напруженості магнітного поля. Їх можна розділити на дві головні гілки:

- прилади виміру змінного магнітного поля;

- прилади виміру постійного магнітного поля.

Незважаючи на різноманітність існуючих способів реалізації магнітних вимірювань, в багатьох способах вимірювання магнітних величин фактично вимірюється не магнітна, а електрична величина, в яку магнітна величина перетворюється в процесі вимірювання. Цікавить нас магнітна величина визначається розрахунковим шляхом на підставі відомих залежностей між магнітними і електричними величинами. Теоретичною основою подібних методів є друге рівняння Максвелла, що зв'язує магнітне поле з полем електричним; ці поля є двома проявами особливого виду матерії, іменованого електромагнітним полем.

Завдання магнітних вимірів.

Область електровимірювальної техніки, яка займається вимірами магнітних величин, зазвичай називають магнітними вимірами. За допомогою методів і апаратури магнітних вимірів в даний час вирішуються найрізноманітніші завдання. В якості основних з них можна назвати наступні:

• вимірювання магнітних величин (магнітної індукції, магнітного потоку, магнітного моменту та інші)

• визначення характеристик магнітних матеріалів;

• дослідження електромагнітних механізмів;

• вимірювання магнітного поля Землі та інших планет;

• вивчення фізико-хімічних властивостей матеріалів (магнітний аналіз);

• дослідження магнітних властивостей атома і атомного ядра;

• визначення дефектів у матеріалах і виробах (магнітна дефектоскопія) і т. д.

Використовуються в магнітних вимірах і інші (не тільки електричні) прояви магнітного поля, наприклад механічні, оптичні.

Міри магнітних величин. Одиниці магнітних величин відтворюються за допомогою відповідних еталонів. У нас в країні є первинний еталон магнітної індукції і первинний еталон магнітного потоку. Для передачі розміру одиниць магнітних величин від первинних еталонів робочим засобам вимірювань використовують робочі еталони, зразкові і робочі заходи магнітних величин і зразкові засоби вимірювань. Прикладом передачі розміру одиниць може служити градуювання або перевірка приладів для вимірювання магнітних величин, яка проводиться за допомогою заходів магнітних величин і зразкових засобів вимірювань.

В якості запобіжного магнітної індукції (напруженості магнітного поля) можуть бути використані котушки спеціальної конструкції (наприклад, кільця Гельмгольца, соленоїд), по обмотках яких протікає постійний струм, постійні магніти.

В якості запобіжного магнітного потоку зазвичай використовують взаємоіндуктівную міру магнітного потоку, що складається з двох гальванічно не пов'язаних між собою обмоток і відтворюючу магнітний потік, зчіплюються з однієї з обмоток, коли за іншою обмотці протікає електричний струм.

Принципи побудови приладів для вимірювання магнітних величин

В даний час відомо багато різноманітних приладів і способів для виміру магнітної індукції, магнітного потоку і напруженості магнітного поля. Як правило, прилад для вимірювання магнітних величин складається з двох частин - вимірювального перетворювача, призначенням якого є перетворення магнітної величини у величину іншого виду (електричну, механічну), більш зручну для подальших операцій, і вимірювального пристрою для вимірювання вихідної величини вимірювального перетворювача.

Вимірювальні перетворювачі, вхідний величиною яких є магнітна величина, називають магнітовимірювальні і відповідно до виду вихідної величини ділять на три основні групи: магнітоелектричні перетворювачі (вихідна величина електрична), магнітомеханічне (вихідна величина механічна) і магнітооптичні (вихідна величина оптична).

У кожній з цих груп багато різновидів перетворювачів, основою для створення яких служать ті чи інші фізичні явища. Як основні, найбільш широко використовуваних явищ можуть бути названі такі:

- явище електромагнітної індукції;

- силова взаємодія вимірюваного магнітного поля з полем постійного магніту або контуру зі струмом;

- гальваномагнітні явища;

- явище зміни магнітних властивостей матеріалів у магнітному полі;

- явища, що виникають при взаємодії мікрочастинок з магнітним полем.

Друга частина приладу для вимірювання магнітних величин може бути або звичайним приладом для вимірювання електричної величини, або приладом зі спеціальними характеристиками.

Отже судячи із вище сказаного можна стверджувати що загальні схеми вимірювальних приладів магнітного поля структурно є однаково і відрізняються в основному тільки датчиком який перетворює для нас магнітну величину в зручну для нас.

Рис. 1. Принципова схема вимірювача змінного магнітного поля

На Рис.1 приведений для прикладу готовий прилад виміру напруженості змінного магнітного поля.

На вхід вимірювача магнітного поля підключена котушка з 12 витків , яка служить для виявлення магнітного поля. Для дистанційного зондування може використовуватися зовнішня котушка. Магнітне поле, що сприймається котушкою , проявляється у вигляді напруги , пропорційного напруженості поля і частоті. Воно надходить на вхід багато каскадного підсилювача IC3 - a , 1СЗ -Ь і 1СЗ -с . У першому каскаді підсилювача за допомогою резисторів R1 і R2 встановлено коефіцієнт посилення 3.3 . Загальний коефіцієнт перетворення складає 100 мкВ / мкТл або 100 мВ / мТл . Аналого-цифровий перетворювач ( АЦП) на мікросхемі IC1 має діапазон повної шкали 2 В. У зв'язку з цим мінімальний діапазон виміру складе 20 мТл на всю шкалу. ОУ 1СЗ - а підсилює сигнал до нормованого рівня 100 мкВ / мкТл . Далі сигнал посилюється в 1,100 , або 10 000 раз ОУ 1СЗ -Ь і 1СЗ -с . Три каскаду посилення забезпечують діапазони 2 мТл , 200 мкТл і 2 мкТл на всю шкалу. Елементи R3 і СЗ і R12 і С7 встановлюють частоту зрізу частотної характеристики в точці 20 кГц , яка компенсує пропорційну частоті чутливість котушки зв'язку . ОУ IC3 - d виконує функцію точного випрямляча і пікового детектора. Вихідний сигнал з нього надходить на АЦП і РКІ дисплей. Компоненти R25 - R29 і С13 - С17 використовуються 101, щоб встановити час перетворення, тактову частоту і опорна напруга. Десяткові точки управляються IC2 залежно від обраного перемикачем S2 діапазону. Транзистори Q1 і Q2 відчувають зниження напруги батареї і включають сигналізацію розряду батареї на РКІ при досягненні рівня 7 В.

Якщо проаналізувати даний опис принципу роботи, то відразу кидається до уваги те що дані залежать від частоти і вимір постійних величин стає неможливий із-за принципів перетворення магнітної величини в цьому приладі, але досить великим плюсом є низьке енергоспоживання і цифровий вивід результату що є досить зручним.Для того щоб вимірювати постійні значення магнітної індукції попереднім способом потрібно обертати вимірювальну котушку, але це є незручним і не точним методом виміру.

ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТА ПРИЛАДИ 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.

Тесламетри з перетворювачем Холла прості в експлуатації , дозволяють вимірювати магнітну індукцію або напруженість постійних , змінних (у широкому діапазоні частот ) і імпульсних магнітних полів. Перетворювачі Холла мають малі розміри , що дозволяє проводити вимірювання індукції в малих зазорах .

Тесламетри , засновані на явищі надпровідності , дозволяють виміряти параметри магнітного поля біострумів серця і мозку людини.

Тесламетри , засновані на зміні електричного опору матеріалів , відомі давно. У практиці магнітних вимірювань набула поширення так звана вісмутова спіраль - перетворювач з висмутовой дроту , який зазвичай включають в одне з плечей моста Вітстона . Зміна опору перетворювача при приміщенні його в магнітне поле досить точно вимірюють цим мостом.

Магніторезистивні тесламетри застосовуються в області сильних полів.

Тесламетр з перетворювачем Холла . вимірюють параметри середніх і сильних магнітних полів. Перетворювачі в цих приладах мають малі габарити; прилади прості й зручні в експлуатації. Тесламетри з квантовими перетворювачами ( різних видів) , що володіють високою чутливістю і точністю , використовують для вимірювання параметрів слабких і середніх , постійних і змінних (до 20 кГц) магнітних полів. Ферромодуляціонні тесламетри мають високу чутливість і середньою точністю , мають малі габарити перетворювача , прості і надійні . Вони широко використовуються для вимірювання параметрів слабких і середніх , постійних і змінних (до 1 кГц) магнітних полів. Надпровідникові тесламетри мають унікальну чутливістю (теоретичний поріг чутливості 10 - 15 Тл ) , високою точністю , стабільністю , але вони складні і дороги. Їх використовують для вимірювання параметрів слабких постійних і змінних (до 1 кГц) магнітних полів.