Приборы для измерения магнитных величин.

Электрические явления неразрывно связаны с магнитными. Свойства ферромагнитных материалов широко используются в электротехнике, накладывая отпечаток на качество и характеристики электрических машин, аппаратов, приборов. Конструктор электроприборов не может обойтись без измерения магнитных величин (магнитного потока, магнитной индукции и т.д.), необходимых для изучения свойств ферромагнитных материалов. При изучении этих свойств и этих материалов нас интересует, во-первых, кривая намагничивания и петля Гистерезиса, во-вторых, величина потерь в стали при циклическом перемагничивании. Весьма важным так же является изучение свойств постоянных магнитов в связи с развитием приборостроения и производством электрооборудования, например для автомобильной, тракторной, авиационной, медицинской, космической промышленности, где постоянные магниты находят широкое применение. Магнитные величины можно определять с помощью различных методов, используя приборы веберметр, коэрцетиметр, феррометр,магнитометр, милиивеберметр, гистерезиметр, феррозонд, и др.. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла, связывающее магнитное поле с полем электрическим, которые являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем. Рассмотрим работу флюксметра.

Для исследования магнитных полей, и особенно постоянных магнитов, часто применяется прибор флюксметр. Флюксметр представляет собой разновидность гальванометра магнитоэлектрической системы с ничтожно малым противодействующим моментом. На рисунке 18 дана схема флюксметра. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и стальным цилиндром на полуосях расположена подвижная рамка А флюксметра. На одной из полуосей укреплена указательная стрелка. Принцип работы флюксметра основан на установленном свойстве магнитного потока замкнутого контура в стремлении сохранять неизменной свою величину. Если к рамке флюксметра присоединить надетую на постоянный магнит измерительную катушку В (переключатель П в положении И), а затем быстро сдернуть ее с магнита, то в замкнутом контуре "измерительная катушка - рамка флюксметра произойдет уменьшение потокосцепления. Согласно сказанному выше это уменьшение магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой (контуром) вызовет поворот рамки флюксметра на угол а, при котором произойдет увеличение потокосцепления рамки флюксметра, компенсирующее уменьшение потокосцепления измерительной катушки.

Так как магнитное поле, в котором находится рамка, радиально-равномерное, то изменение потокосцепления его рамки определяется по формуле,

 

следовательно

 

 

Рисунок18. Принципиальная схема флюксметра

где С- постояннаяфлюксметра, равная 10000 мкс/дел; а - числоделений шкалы, определяющее угол поворота подвижной части флюксметра.

Использование гальваномагнитных эффектов. Для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в настоящее время используют эффект Холла и эффект Гаусса.

В приборе, реализующем эффект Холла, преобразователь пред­ставляет собой пластинку из полупроводника, по которой протекает ток I. При помещении этой пластинки в магнитное поле на боковых гранях ее возникает разность потенциалов — э. д. с. Холла Е.

Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индук­ции, основанного на эффекте Холла, приведена на рисунке 19. Обозначение на схеме: ПХ—преобразователь Холла; У— усилитель; И — указывающий прибор. Величина э. д. с. Холла связана с магнитной индукцией и током следующим соотношением:

E=RxIB/h,

Где Е— э. д. с. Холла; I — сила тока; В — магнитная индукция (вектор ее должен быть перпендикулярен плоскости пластинки, либо будет измерена лишь нормальная составляющая вектора В); Rх- постоянная Холла; h— толщина пластинки.

В качестве материалов для преобразователей Холла используют германий, сурьмянистый индий и другие полупроводниковые материалы. Э. д. с. Холла обычно невелика. Так, например, чувствительность преобразователей из мышья­ковистого индия колеблется в пределах от 3• 10⁵ до 8 • 10⁶ мкВ/(А • Т),то есть э. д. с.

Холла, возникающая на боковых гранях пла­стинки с током в 1А при помещении ее в поле с магнитной индукцией 1 Т, составляет от 3-10⁵до8-10⁶ мкВ. Поэтому в схеме прибора целесообразно (а иногда просто необходимо) использование усилителя. Для повышения точности в приборах, основанных на эффекте Холла, часто используется компенсационный метод измерения. Приборы, использующие эффект Холла, находят все более широкое распространение, так как они обладают рядом положительных свойств. Достаточно просты, имеют удовлетвори­тельную точность — 1,0-3,0% (специальными мерами точность может быть доведена до 0,05%), позволяют измерять магнитную индукцию или напряженность в постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полях. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение индукции в узких зазорах.

Одним из недостатков преобразователей Холла является значи­тельная зависимость э. д. с. Холла от температуры. Для устранения этого явления термостатируют преобразователи либо применяют схемы

температурной компенсации. Кроме того, ведется работа по улучшению характеристик преобразователей. В настоящее время уже получены образцы термостабильных преобразователей Холла с дрей­фом нулевого сигнала не более 1 мкВ/° С и высокой чувствительностью порядка

2,5 В/(А-Т). В настоящее время известно значительное количество модифика­ций приборов, в которых использован эффект Холла

Рисунок 20. Микровеберметр Ф199

Любой прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей – измерительного преобразователя, назначением которого является преобразование магнитной величины в электрическую, и измерительного устройства для измерения этой величины. Основой для создания измерительных преобразователей магнитных величин служат разные физические явления, но главное – явление электромагнитной индукции. Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором для измерения той или иной электрической величины, либо прибором со специальными характеристиками. В приборах и способах, использующих явление электромагнитной индукции, измерительным преобразователем служит катушка, витки которой сцепляются с магнитным потоком Ф (измеряется в Веберах). Катушки являются измерительным преобразователем, с помощью которого магнитные величины – магнитная индукция В, магнитный поток Ф, напряжённость магнитного поля Н – могут быть преобразованы в электрическую величину – ЭДС. В практике магнитных измерений подобные катушки называют измерительными катушками.

Прибор Микровебрметр Ф199 (рисунок 20) предназначен для измерения малых постоянных магнитных потоков и индукции в зазорах магнитных цепей.

Рисунок19. Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индукции, основанного на эффекте Холла

Принцип действия. Схема электрическая структурная микровебрметра приведена на рисунке 21.По принципу действия микровебрметр представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный цепью отрицательной обратной связи по производной, благодаря чему осуществляется интегрирование входного сигнала.

БП

входной сигнал с катушки

У

ВК

ЗУ

ОУ

ОС

 

Рисунок21 Схема электрическая структурная микровебрметра

БП-блок питания, У-усилитель, ВК-выходной каскад, ЗУ-запоминающее устройство, ОУ-отсчетное устройство, ОС-цепь обратной связи.

Усилитель У микровебрметра представляет собой усилитель постоянного тока с двойным преобразованием –модуляцией –входного сигнала (МДМ). В модуляторе и демодуляторе применены полевые транзисторы, в тракте усиления –линейные интегральные микросхемы.

Выходной каскад ВК состоит из микросхемы. Коэффициент усиления каскада по постоянному току более 200, частотно-зависимая цепь отрицательной обратной связи обеспечивает дальнейшее подавление сигнала несущей частоты и стабилизацию режима по постоянному току.

Запоминающее устройство ЗУ состоит из микросхемы и включенной на ее входе интегрирующей цепи микросхема охвачена 100-процентной отрицательной обратной связью и работает как повторитель напряжения с высокой линейностью передаточной характеристики.

Отсчетное устройство ОУ-двух-шкальный узкопрофильный со световым отсчетом М1633, класс точности 0,5, ток полного отклонения 100мкА. Одна из шкал,имеющая числовые отметки 25-0-25, используется при конечных значениях диапазонов измерения 25,250,2500 мкВб. Другая шкала имеет числовые отметки 50-0-50 и используется в остальных диапазонах. световой указатель появляется лишь на шкале, соответствующей выбранному с помощью переключателя S2 диапазону измерения. Цепь обратной связи ОС состоит из конденсатора и резистора. Благодаря этой цепи микровебрметр осуществляет интегрирование исходного сигнала. Постоянная времени цепи 500мкс.

Цепь компенсации термо-ЭДС компенсация паразитных ЭДС во входной цепи микровеберметра (например термо –ЭДС),вызывающих сползание указателя, производится с помощью делителей напряжения и на резисторах,питаемых от стабилизированного источника напряжением 11 В.

Блок питания. БП обеспечивает стабилизированные напряжения ±12,6 В для выходного каскада, оконечного каскада УПТ, генератора несущей частоты; 11В постоянного напряжения для питания схемы компенсации потенциальной составляющей смещения нуля модулятора и схемы компенсации паразитных ЭДС во входной цепи; 5В переменного напряжения для питания осветителей лампы отсчетного устройства.

Источник ±12,6 В состоит из двух компенсационных стабилизаторов на транзисторах, коэффициент стабилизации более 100, пульсация выходного напряжения не более 5мВ двойного амплитудного значения.

Источник 11В построен по схеме параметрического стабилизатора на стабилитронах и резисторах.входным напряжением для него является стабилизированное напряжение±12,6 В, поэтому общий коэффициент стабилизации около 2000.

Силовой трансформатор Т собран на магнитопроводе ШЛ16х32.конструкция трансформатора обеспечивает малое значение емкости и токов утечки, между первичной (сетевой) и вторичными обмотками.

Конструкция микровеберметра

Корпус микровеберметра выполнен по конструктивам АСЭТ в виде каркаса из литых кронштейнов, к которым винтами крепятся лицевая панель и задняя стенка, верхняя и нижняя крышки, боковые стенки.На нижней крышке расположена откидывающаяся скоба для установки микровеберметра в наклонном, более удобном для отсчета показаний положении.

На лицевой панели микровеберметра размещены: Отсчетное устройство (лицевая панель) микроамперметра М1633;Входной разъем, к которому подключается соединительный шнур; Галетный переключатель конечных значений диапазонов измерения 25- 50- 100-250-500-1000- 2500 переключатель режимов работы ИЗМЕРЕНИЕ-НУЛЬ, состоящей из двух кнопок П2К с зависимой фиксацией; переключатель СЕТЬ-кнопка П2К с независимой фиксацией;

Переключатель АРР-кнопка П2К с независимой фиксацией, которая закорачивает цепь рамки микроамперметра для проверки нулевого положения указателя отсчетного устройства. при нажатой кнопке закорочена цепь рамки микроамперметра, и механическим корректором отсчетного устройства указатель устанавливается на нулевую отметку;

Монтаж микроввебрметра выполнен в основном печатным способом. на общей печатной плате- основании- смонтированным источники питания, выходной каскад. К ней крепится так же усилитель, катушки сопротивления из манганинового провода на керамических каркасах.

Усилитель У выполнен в виде отдельного блока, состоящего из нескольких печатных плат,экранированных друг от друга, и закрыт алюминиевым экраном. Регулирующие транзисторы стабилизаторов напряжения ±12, 6 В снабжены теплопроводящими радиаторами.Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора размещены на отдельных каркасах, между которыми находится алюминиевый экран, уменьшающий емкость между сетевой и вторичными обмотками.

В лаборатории № 218 кафедры ИИСТ успешно развивается научное направление магнитометрии. Под руководством профессоров Горбатенко Н.И, Гречихина В.В. и доцентов, к.т.н. Ланкина М.В., Шайхутдинова Д.В. аспиранты создают новейшую высокочувствительную магнито-измерительную аппаратуру, пользующуюся спросом не только в России, но и за рубежом.