Контрольні питання

1. Квантування і дискретизація. Похибки цифрових вимірювальних приладів.

2. Класифікація цифрових вимірювальних приладів.

3. Цифровий частотомір середніх значень: структурна схема, часові діаграми і принцип дії.

4. Виведіть рівняння перетворення і похибки квантування для частотоміра. Наведіть аналітичні залежності для верхньої і нижньої меж вимірювання.

5. Цифровий частотомір миттєвих значень: структурна схема, часові діаграми і принцип дії.

6. Виведіть рівняння перетворення і похибки квантування для періодоміра. Наведіть аналітичні залежності для верхньої і нижньої меж вимірювання.

7. Цифровий фазометр миттєвих значень: структурна схема, часові діаграми і принцип дії.

8. Виведіть рівняння перетворення і похибки квантування для фазометра.

9. Цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення: структурна схема, часові діаграми і принцип дії.

10. Виведіть рівняння перетворення і похибки квантування для вольтметра час-імпульсного перетворення.

11. Цифровий вольтметр послідовного наближення: структурна схема, часові діаграми і принцип дії.

12. Виведіть рівняння перетворення і похибки квантування для вольтметра послідовного наближення.

13. Цифровий слідкувальний вольтметр: структурна схема і принцип дії.

14. Часові діаграми роботи слідкувального вольтметра.

Розділ V ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНИХ ВЕЛИЧИН

Магнітні вимірювання виконуються з метою дослідження характеристик магнітних полів, матеріалів та готових виробів. Широке застосування магнітні вимірювання знаходять в магнітній дефектоскопії, в контролі за роботою установок атомної та ядерної фізики, при визначенні характеристик електромагнітних полів високовольтних ліній електропередач та ін.

Основними величинами, які визначають магнітне поле, є напруженість H, індукція B та магнітний потік Ф. Магнітні матеріали характеризуються залежностями B(H), залежністю магнітної проникності від напруженості (H) та ін. Зв’язок між магнітними величинами визначається співвідношеннями: , Ф = . Рисочки над літерами позначають векторні величини.

Для вимірювання магнітних величин електричними методами їх необхідно спочатку перетворити в електричні величини. Для цього застосовуються перетворювачі магнітних величин в електричні.

5.1. Вимірювальні перетворювачі магнітних величин

Індукційні перетворювачі. Дія індукційного перетворювача основана на явищі електромагнітної індукції. За допомогою індукційних перетворювачів можна визначити характеристики як постійних, так і змінних магнітних полів.

Н айбільш поширеним видом індукційного перетворювача є вимірювальна котушка W_к, яка поміщається в вимірювальне поле (рис. 5.1). Потім будь-яким способом здійснюється зміна магнітного потоку Ф_x, який проходить через площину S, охоплену витками вимірювальної котушки. В котушці при цьому індукується е.р.с. e = –W_к(dФ_x/dt).

Рисунок 5.1

Отже, відбувається перетворення магнітної величини в електричну – е.р.с. e. Потім здійснюється обробка е.р.с. або струму, що наводиться в колі котушки цієї е.р.с., в результаті якої визначається Ф_x та пов’язані з Ф_x магнітні величини.

Якщо потік, що перетинає вимірювальну котушку, постійний, то його можна змінювати різними способами: внести котушку в поле, вилучити її з поля, повернути її на певний кут, увімкнути або вимкнути струм, який створює поле (коли воно створюється за допомогою котушок або електромагнітів). Таку котушку називають індукційно-імпульсним перетворювачем. Існують також обертові та вібраційні вимірювальні котушки для вимірювання характеристик постійних магнітних полів.

Потік Ф_x може бути змінним у часі; у цьому випадку немає необхідності здійснювати які-небудь маніпуляції з вимірювальною котушкою.

Гальваномагнітні перетворювачі. В гальваномагнітних перетворювачах використовуються ефекти, що виникають у напівпровідниках або металах, які знаходяться в магнітному полі. Найбільш широко для магнітних вимірювань використовуються ефект Холла та ефект Гаусса.

Е

Рисунок 5.2

фект Холла полягає у виникненні різниці потенціалів між боковими гранями пластини з напівпровідникового матеріалу, яка поміщається в магнітне поле. Через дві інші грані пластини пропускається струм I (рис. 5.2).

Різниця потенціалів, яка виникає між гранями пластини, називається е.р.с. Холла E_x. Вона пов’язана з вимірюваною магнітною індукцією співвідношенням:

E_x = R_xIB_n / n, (5.1)

де R_x – постійна Холла, яка залежить від властивостей матеріалу пластини; I – струм, B_n – нормальна до пластини складова вектора магнітної індукції; n – товщина пластини.

Як видно із співвідношення (5.1), е.р.с. Холла залежить від кута нахилу вектора до поверхні пластини. Повертаючи пластину, за максимумом е.р.с. можна визначити напрям вектора індукції .

Пластина перетворювача Холла має малі розміри (максимальний з розмірів 1–1,5 мм), тому за допомогою цього перетворювача можна вимірювати індукцію в малих проміжках.

Матеріалами для виготовлення перетворювачів Холла служать германій, кремній, арсенід галію, сурм’янистий індій та ін.

Перетворювачі Холла застосовуються для вимірювання як постійних, так і змінних магнітних полів у широкому діапазоні частот. Похибка перетворення складає 1–3%. Недоліками перетворювача Холла є невисока чутливість та сильна залежність постійної Холла від температури.

Ефект Гаусса полягає у зміні опору деяких матеріалів при внесенні їх у магнітне поле. Перетворювачі, які використовують цей ефект, називаються магніторезистивними. Для їх виготовлення використовують вісмут, сурм’янистий індій, сурм’янистий нікель та інші матеріали.

Відносна зміна опору матеріалу під дією магнітної індукції

R / R₀ = Au_нзB², (5.2)

де R₀ – опір при B = 0; A – коефіцієнт, який залежить від форми і розмірів перетворювача та властивостей матеріалу; u_нз – рухливість носіїв заряду.

Найбільшу відносну зміну дає перетворювач, який має форму диска з електродом в центрі та електродом у вигляді обода на диску (диск Корбіно).

Знаходять застосування перетворювачі у вигляді спіралі, прямокутної форми та у вигляді меандру. Перевагою останнього є високий омічний опір. Недоліком магніторезистивних перетворювачів, як і перетворювачів Холла, є сильна залежність від температури.

Магніторезистивні перетворювачі звичайно вмикаються в чотириплечі мости.

Гальваномагніторекомбінаційні перетворювачі (ГМРП) основані на зміні середньої концентрації носіїв заряду під дією магнітного поля, що проявляється у провідниках, які мають поверхні з різною швидкістю рекомбінації носіїв заряду. ГМРП звичайно представляють собою тонку напівпровідникову пластину (рис. 5.3), у якої одна з бокових поверхонь (1) оброблена грубо, а інша (2) – відполірована. Внаслідок цього біля поверхні 1 швидкість рекомбінації носіїв зарядів на 2–3 порядки більша, ніж біля поверхні 2.

П

Рисунок 5.3

ри розміщенні пластини в магнітному полі під дією сили Лоренца відбудеться зміщення носіїв зарядів до однієї з бокових поверхонь. Якщо напрям вектора такий, що заряди переміщуються до поверхні 1, то загальна концентрація носіїв зарядів зменшується, і відповідно зростає опір ГМРП. При зворотному напрямі вектора індукції опір ГМРП зменшиться. Отже, на відміну від магніторезисторів, у ГМРП зміна опору залежить від напряму вектора магнітної індукції . При незмінному напрямі зміни знака приросту опору можна досягти зміною напряму струму. Отже, в магнітному полі ГМРП має властивості, аналогічні властивостям діода.

Чутливість до магнітної індукції ГМРП S_B = U_вих / B на 2–3 порядки більша за чутливість перетворювачів Холла.

Феромодуляційні перетворювачі (ферозонди) являють собою у найпростішому випадку систему із двох однакових стержневих магнітопроводів, виконаних з матеріалів з високою магнітною проникністю (пермалою), з нанесеними на кожний з них двома обмотками (рис.5.4), причому W₁ = W₂, W₃ = W₄.

Рисунок 5.4

Обмотки W₁ та W₂ називаються обмотками збудження. Вони з’єднані таким чином, що створювані ними магнітні потоки направлені назустріч один одному. У відсутності зовнішнього магнітного поля при синусоїдному намагнічувальному струмі потоки в магнітопроводах несинусоїдні через нелінійність характеристики B(H) матеріалу осердь, але симетричні відносно осі часу. Е.р.с., що наводяться потоками у вимірюваних обмотках W₃ та W₄, будуть рівні, хоча вони також несинусоїдні, але симетричні відносно осі часу. Результувальна е.р.с. при зустрічному включенні обмоток W₃ та W₄ дорівнює нулю.

В результаті у вимірювальних обмотках W₃ та W₄ наведуться несинусоїдні та несиметричні відносно осі часу е.р.с. e₃ та e₄; при цьому непарні гармоніки будуть збігатися за фазою, а парні будуть у протифазі. Оскільки обмотки W₃ та W₄ з’єднані послідовно назустріч одна одній, то результувальна е.р.с. містить тільки суму парних гармонік, з якої за допомогою фільтра виділяють другу. Вона й несе інформацію про вимірювану індукцію магнітного поля.

Феромодуляційні перетворювачі придатні для вимірювань як постійних, так і змінних магнітних полів. Прилади з цими перетворювачами найбільш чутливі. Їх похибка 1–2%.

Ядерні перетворювачі магнітної індукції відносяться до групи квантових перетворювачів, робота яких основана на взаємодії мікрочастинок з магнітним полем, такими мікрочастинками, зокрема, є ядра атомів речовини, яка має момент кількості руху (спін та магнітний момент). Відношення магнітного моменту мікрочастинки до її механічного моменту називають гіромагнітним відношенням і позначають .

В ідомо, що магнітні моменти ядер речовини, внесеної в постійне магнітне поле, орієнтуються в напрямку цього поля. При зміні напряму зовнішнього поля результувальний ядерний магнітний момент М_м починає прецесувати відносно нового напряму вектора магнітної індукції (рис.5.5), тобто вектор М_м буде обертатись з частотою  = B відносно вектора магнітної індукції, створюючи конус з кутом  при вершині. З часом процес затухає, при цьому кут прецесії  прямує до нуля, а речовина набуває стаціонарної намагніченості, вектор якої збігається з новим напрямом вектора магнітної індукції зовнішнього поля.