Измерения параметров магнитных полей 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Измерения параметров магнитных полей



Под параметрами магнитного поля принято понимать скалярные, векторные и тензорные величины, характеризующие магнитное поле и инвариантные относительно системы координат. К ним относятся магнитный поток, вектор магнитной индукции, вектор напряженности магнитного поля, градиент вектора магнитной индукции (тензор), градиент модуля магнитной индукции (вектор) и др. Обычно непосредственно измеряемыми параметрами магнитного поля являются скалярные величины: магнитный поток, модуль вектора магнитной индукции или его составляющие, производные этих величин, функционально связанные с указанными векторными и тензорными величинами и дающие возможность определить топографию и степень неоднородности магнитного поля, а также характер егоизменения во времени.

Измерения параметров магнитного поля являются основой всех магнитных измерений, поскольку на них базируются все остальные виды магнитных измерений: измерения магнитных параметров и характеристик материалов, веществ и изделий, магнитные измерения в научных исследованиях и др. Примерами важных научных и народнохозяйственных проблем, решаемых с помощью магнитных измерений, являются: исследование строения вещества и микрочастиц, теория магнетизма и физики твердого тела, изучение ближнего и дальнего космоса, разработка термоядерных источников энергии, ускорительной техники, магнитогидродинамических и криогенных генераторов, высокоскоростного наземного транспорта на магнитной подушке, поиск полезных ископаемых, создание ферромагнитных материалов и веществ с наперед заданными свойствами, воздушная и морская навигация, методы диагностики в технике и медицине и др.

Современная практика, включая уникальные научные исследования, требует измерения параметров постоянных магнитных полей с индукцией от 10-16 Тл (магнитный вакуум) до 30 Тл, переменных – от 10-15 Тл до нескольких тесла в диапазоне частот от долей герц до десятков мегагерц, импульсных – с индукцией от 10-15 Тл до сотен тесла при длительности импульсов от единиц наносекунд до нескольких секунд. Магнитный поток необходимо измерять от тысячных долей кванта магнитного потока до десятков вебер. В ряде случаев измерения необходимо производить при сверхнизких или сверхвысоких температурах, в космическом пространстве, при низких и высоких давлениях и в других экстремальных условиях.

Разнообразны требования к точности измерения магнитных величин. При определении значений физических констант, в метрологической практике и в спектроскопии ЯМР необходимо стабилизировать и измерять магнитную индукцию с погрешностью 10-8 – 10-6. При исследовании устройств ускорительной техники и различных систем с постоянными магнитами погрешности не должны превышать 10-6 – 10-3. Погрешности измерений магнитного потока находятся в пределах 10-5 – 10-1. Повышаются требования и к точности измерения дифференциальных параметров магнитного поля, определение которых необходимо при исследовании топографии полей различных электрофизических устройств, в навигации, а также при решении обратной задачи магнитометрии – обнаружения и описания источников магнитного поля и залежей полезных ископаемых.

Большинство методов измерений параметров магнитного поля базируется на двух основных проявлениях магнитного поля: силовом (энергетическом) взаимодействии магнитного поля с макро- или микроскопическими токами и электромагнитной индукции.

 

Квантовые магниторезонансные методы с оптической накачкой атомов

Квантовые магниторезонансные методы основаны на явлении магнитного резонанса, заключающегося в резонансном поглощении и излучении энергии высокой частоты атомными частицами в результате магнитных дипольных переходов между энергетическими подуровнями, создаваемыми постоянным магнитным полем. Магнитные подуровни могут создаваться как внешними магнитными полями, так и магнитными моментами микрочастиц. Например, взаимодействие магнитных моментов электронной оболочки и ядра атома вызывает расщепление энергетических уровней атома и соответствующих спектральных линий, называемое сверхтонкой структурой энергетического спектра атома. Переходы между уровнями сверхтонкой структуры используются, в частности, для создания квантовых стандартов частоты, лазеров и высокочувствительных тесламеров с оптической накачкой.

Магнитный резонанс может наблюдаться в макроскопическом количестве вещества, атомные частицы которого имеют механический (спин) и магнитный моменты. С позиций классической механики такие частицы прецессируют в постоянном магнитном поле аналогично прецессии гироскопа в гравитационном поле. Термин «резонанс» здесь означает, что при наблюдении данного явления производится настройка на собственную частоту квантовой системы, равную частоте прецессии магнитных частиц в постоянном магнитном поле, определяемой уравнением Лармора: ω=γВ, где γ – гиромагнитное отношение, равное отношению магнитного момента частицы к её механическому моменту количества движения.

В зависимости от вида резонирующих частиц существует несколько разновидностей магнитного резонанса: ядерный, электронный, парамагнитный, ферромагнитный, антиферромагнитный и др. Ядерный резонанс обусловлен ядерными диполями, другие – электронными диполями. Электронный парамагнитный резонанс можно наблюдать в веществах, атомы или молекулы которых имеют неспаренные электроны. Ферро- и антиферромагнитные резонансы имеют место в веществах, в которых электронные диполи связаны обменными силами в доменные структуры.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это наиболее точный метод измерений магнитной индукции постоянных имедленно изменяющихся магнитных полей, поскольку гиромагнитное отношение атомного ядра (например, ядра водорода – протона), определяющее функциональную связь между магнитной индукцией и частотой, является фундаментальной физической константой.

 


Рис. 2-64

 
 

Измерительный преобразователь ЯМР обычно состоит из одной или двух обмоток и рабочего вещества, содержащего атомные ядра, обладающие магнитным моментом. Рабочее вещество может находиться внутри цилиндрической, прямоугольной или тороидальной обмотки (рис. 2-64, а), или, наоборот, обмотка может быть помещена внутри рабочего вещества (рис. 2-64, б и в). В последнем случае увеличивается коэффициент заполнения преобразователя, пропорциональный объему рабочего вещества, находящегося в высокочастотном поле, создаваемом обмоткой. Для защиты от внешних помех преобразователь ЯМР обычно помещается в экран. В преобразователях ЯМР наиболее часто используется жидкое диамагнитное вещество, содержащее атомные ядра с отличным от нуля магнитным моментом. Последний равен нулю только у атомных ядер, состоящих из четного числа протонов и четного числа нейтронов. В постоянном магнитном поле атомные ядра, обладающие магнитным моментом, занимают определенные энергетические уровни, число которых равно 2I+1.

 

Электрофизические методы измерения линейных и угловых размеров

Электрофизические методы измерений основаны на использовании отличия физических свойств веществ, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер. Для измерения линейных и угловых размеров используются методы и приборы, основанные на различии тепловых, электрических, магнитных, механических (плотность, вязкость) и других свойств веществ или их сочетаний.

Электромагнитные методы. Основаны на сочетании электрических и магнитных свойств. Наиболее распространенными из них являются вихретоковый и резонансный методы.

 

Вихретоковый метод, широко применяемый для измерения толщины тонких листовых изделий и покрытий, основан на зависимости глубины проникновения электромагнитных колебаний в материал от его магнитной проницаемости, удельной электропроводимости и частоты колебаний.

Вихретоковый толщиномер обычно состоит из индуктивного вихретокового преобразователя и измерительной цепи для определения активного и реактивного сопротивлений датчика.

Резонансный метод измерений линейных размеров основан на зависимости частоты собственных колебаний объемного электромагнитного резонатора (эндовибратора) от размеров его полости и от диэлектрической и магнитной проницаемости заполняющего его диэлектрика. Этот метод главным образом используется для измерения уровня (объема) диэлектрических веществ в металлических резервуарах.

Тепловой (термокондуктометрический) метод. Этот метод измерения размеров основан на отличии тепловых свойств веществ, образующих границы измеряемого размера. Метод главным образом применяется для измерения уровня жидких веществ, а также для обнаружения и определения дислокации различных объектов по их тепловому излучению. Принцип действия тепловых уровнемеров основан на различии коэффициентов теплоотдачи от твердого тела к жидкости, газу или к пару.

Обычно тепловой уровнемер содержит проволочный терморезистор из материала с большим температурным коэффициентом электрического сопротивления (платина, медь, нержавеющая сталь), длина которого соответствует максимальной высоте измеряемого уровня. Терморезистор выполняется в виде тонкой проволоки, натянутой по оси трубки с отверстиями, обеспечивающими хорошее омывание терморезистора и демпфирование колебаний измеряемого уровня.

Для уменьшения погрешностей от изменения температуры и теплопроводности жидкости применяется терморезистор, находящийся у дна резервуара и постоянно погруженный в жидкость. Постоянная времени такого уровнемера определяется теплоемкостью терморезистора, скоростью отрыва жидкости от проволоки и интенсивностью ее испарения, которая зависит от температуры проволоки над уровнем жидкости. Обычно в уровнемерах с терморезистивными преобразователями используются мостовые измерительные цепи. Погрешности таких уровнемеров 0,5 – 1,5 %. Применяя измерительные цепи с обратной связью, можно уменьшить абсолютную погрешность измерения уровня до 5 – 10 мм, поддерживая постоянным сопротивление терморезистора путем изменения проходящего через него тока.

Принцип действия уровнемера основан на различии коэффициентов теплоотдачи от твердого тела к газу и жидкости. Поскольку теплоотдача от трубы к жидкости больше, чем к газу, температура части трубы, находящейся в газе, всегда больше, чем в жидкости, даже если температуры газа и жидкости равны. Вследствие этого в месте перехода трубы из жидкости в газ имеет место скачок температуры, определяемый при помощи дискретной шкалы термопар, по которой фиксируется положение измеряемого уровня.

Рассматриваемый уровнемер можно использовать для измерения уровня кипящих жидкостей, в которых пузырьки газа или пара неопределенной формы распределены по всему объему и отсутствует четкая граница между жидкостью и газом. Этот метод также пригоден для измерения уровня при высоких температурах, давлениях или повышенной радиации, т.е. при таких условиях, когда применение электромеханических или других методов не обеспечивает необходимой точности измерения или вообще невозможно.

Электрокондуктометрический метод. Этот метод измерения линейных размеров основан на использовании различия между удельной электропроводимостью сред, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер. Метод используется для измерения уровней электропроводящих жидких веществ, углов поворота различных объектов, а также для определения толщины электропроводящих объектов при одностороннем доступе к ним (стенка корпуса корабля, металлические покрытия на неэлектропроводящих основаниях и др.).

При измерении уровня в резервуар помещается резистор из проволоки с высоким удельным сопротивлением, длина которого соответствует измеряемому изменению уровня. Конструктивно электрокондуктометрический уровнемер аналогичен тепловому. По мере снижения уровня уменьшается шунтирующее действие электропроводящей жидкости и соответственно возрастает сопротивление резистора. Этим же методом измеряется угол поворота или угол отклонения от вертикального направления с применением дифференциальных электролитических резистивных преобразователей.

Емкостный метод. Основан на отличии диэлектрической проницаемости сред, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер, широко используется для измерения уровней жидких и сыпучих веществ, границы раздела жидкость – жидкость, а также для измерения толщины диэлектрических пленок и листовых материалов в процессе их непрерывного производства. Основные типы емкостных датчиков и применяемые измерительные цепи рассмотрены в работе.

Магнитный метод. Применяется главным образом для измерения толщины ферромагнитных объектов, немагнитных покрытий на ферромагнитном основании при одностороннем доступе к измеряемому размеру. Также широко используется в дефектоскопии для обнаружения и локализации дефектов (трещины, раковины и др.).

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-22; просмотров: 266; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.206.185.68 (0.014 с.)