10-2. МАГНИТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Измерительные катушки.

При измерении магнитного потока обычно используют явление электромагнитной индукции. Магнитоизмерительный преобразователь, основанный на этом явлении, называют индукционным. Он представляет собой катушку, витки которой сцепляются с измеряемым магнитным потоком. При изменении потока Ф в катушке с числом витков возникает ЭДС , определяемая соотношением

Из этого выражения видно, что с помощью катушки магнитная величина поток Ф может быть преобразована в электрическую величину — ЭДС. Индукционный преобразователь с известной постоянной, определяемой как сумма площадей поперечных сечений всех витков обмотки, называют измерительной катушкой.

Измерительная катушка должна иметь такую форму и размеры и быть так расположенной, чтобы с ее витками сцеплялся лишь тот поток, который подлежит измерению. Плоскость ее должна быть расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции или напряженности магнитного поля.

Если поле в пространстве, охватываемом катушкой, однородно и ось катушки совпадает с направлением векторов магнитной индукции В и напряженности магнитного поля Н, то можно записать

где — постоянная измерительной катушки; — магнитная постоянная

Из выражения (10-2) следует, что индукционный преобразователь может быть использован также для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля (см. § 15-5).

Если измерительная катушка предназначена для измерения магнитной индукции в изделии, изготовленном из испытуемого магнитного материала, то витки ее должны охватывать это изделие и плотно прилегать к его поверхности.

При измерении напряженности магнитного поля на поверхности образца измерительная катушка должна быть плоской (с малой высотой), плотно прилегать к поверхности образца и располагаться так, чтобы ее ось совпадала с направлением вектора напряженности измеряемого магнитного поля.

Магнитоизмерительный преобразователь в виде измерительной катушки может быть использован для измерения параметров как переменного, так и постоянного магнитных полей.

При измерении характеристик переменных магнитных полей в зависимости от способа и средств измерений индуцированной ЭДС могут быть измерены мгновенные или амплитудные значения этих характеристик, либо амплитуды первых гармоник (см. § 15-5).

При измерении постоянного магнитного потока в воздухе осуществить изменение потокосцепления можно одним из следующих способов: вынести измерительную катушку из поля,

повернуть ее на 180°, вращать измерительную катушку в измеряемом поле с постоянной скоростью, качать измерительную катушку относительно ее среднего положения.

Измерительные приборы.

Из выражения (10-1) видно, что для получения потокосцепления по индуцированной в измерительной катушке ЭДС необходимо интегрировать ее во времени, т. е.

где — сопротивление цепи измерительной катушки; — сила тока в цепи измерительной катушки.

Таким образом, измерительный прибор должен осуществлять интегрирование импульса ЭДС или импульса тока (10-2). Для этого при магнитных измерениях используют различные виды веберметров и баллистический гальванометр.

При использовании баллистического гальванометра (см. § 5-3) для измерения магнитного потока основными характеристиками прибора являются его постоянная по магнитному потоку (см. § 15-5) и период свободных колебаний . В современных стационарных гальванометрах эта постоянная находится в пределах в переносных — период свободных колебаний 15—30 с. Погрешность измерения магнитного потока при использовании измерительной катушки и баллистического гальванометра составляет

Баллистический гальванометр обеспечивает высокую чувствительность и точность при измерении магнитных величин, но является прибором неградуированным, требующим определения постоянной при каждом эксперименте (см. § 5-3 и 15-5).

Веберметром называют магнитоизмерительный прибор для измерения магнитного потока со шкалой, градуированной в единицах магнитного потока — веберах. Применяют веберметры следующих видов: магнитоэлектрические, фотогальванометрические, электронные аналоговые и цифровые.

В магнитоэлектрическом веберметре используется магнитоэлектрический измерительный механизм без противодействующего момента, но с большим моментом магнитоиндукционного успокоения.

Если к зажимам веберметра присоединить измерительную катушку (рис. 10-1) и изменить магнитный поток, сцепляющийся с ее витками, то угол поворота Да подвижной части веберметра будет пропорционален изменению потока

Наиболее просто принцип действия веберметра можно пояснить, используя общий закон изменения магнитного потока

в замкнутом контуре: магнитный поток, сцепляющийся с замкнутым контуром, стремится остаться неизменным. Рассматриваемая цепь (рис. 10-1) состоит из измерительной катушки потокосцепление которой и катушки подвижной части веберметра с потокосцеплением При изменении потока Ф, сцепляющегося с витками измерительной катушки должно произойти соответствующее изменение потока, сцепляющегося с витками подвижной катушки веберметра что и осуществляется поворотом подвижной части веберметра на угол Да. При этом указатель веберметра переместится по шкале на делений.

Таким образом, получаем:

где — число витков измерительной катушки; Ф — измеряемый магнитный поток; — число витков подвижной катушки веберметра; — площадь витка этой катушки; В — магнитная индукция в воздушном зазоре измерительного механизма веберметра; — перемещение указателя веберметра; — длина указателя; — постоянная веберметра.

Из соотношения (10-4) видно, что шкала веберметра может быть градуирована в единицах магнитного потока (при Выражение (10-4) справедливо при условии, что сопротивление измерительной катушки не превосходит значения, указанного

Рис. 10-1. Измерение магнитного потока веберметром

Рис. 10-2. Схема фотогальванометрического веберметра

в паспорте прибора или на его шкале (обычно 5—30 Ом). При нарушении этих условий погрешность прибора возрастает.

Ценным качеством веберметра в отличие от баллистического гальванометра является независимость его показаний от скорости изменения измеряемого потока. Его можно использовать для регистрации изменений магнитных потоков во времени.

Так как противодействующий момент прибора равен нулю, то его указатель может занимать произвольное положение. При определении магнитного потока берут разность отсчетов по шкале: где — конечный, начальный отсчеты.

Для установления указателя на нулевую либо другую, удобную отметку шкалы в приборе используют электрический корректор. Он представляет собой катушку, расположенную в поле постоянного магнита и включенную последовательно с подвижной катушкой веберметра. При повороте с помощью рукоятки катушки корректора изменяется ее потокосцепление, что приводит к повороту подвижной части веберметра и дает возможность установить указатель прибора в нужное положение.

Итак, магнитоэлектрический веберметр — переносный прибор, шкала его градуирована в единицах магнитного потока, он прост и удобен в работе, его показания в широких пределах не зависят от сопротивления цепи включения веберметра и времени изменения потокосцепления.

Относительно низкая чувствительность и малая точность — основные недостатки прибора.

В значительной мере лишены этих недостатков фотогальвано-метрические и электронные веберметры.

На рис. 10-2 приведена упрощенная схема фотогальвано-метрического веберметра. Как видно из схемы, фотогальва-нометрический веберметр представляет собой фотогальвано-метрический усилитель с отрицательной обратной связью по производной выходного тока, которая осуществляется с помощью -цепи. Работает прибор следующим образом. При изменении потока, сцепляющегося с витками измерительной катушки на ее зажимах возникает Под действием ЭДС в цепи магнитоэлектрического гальванометра Г потечет ток, при этом подвижная часть гальванометра повернется, что вызовет изменение светового потока, падающего на фотоэлемент а следовательно и фототока. Фототок усиливается усилителем постоянного тока УПТ. Выходной ток усилителя преобразуется с помощью дифференцирующего звена в напряжение обратной связи которое поступает в цепь измерительной катушки. Поворот подвижной части

гальванометра и изменение фототока будут происходить до тех пор, пока напряжение обратной связи не уравновесит

В процессе измерения происходит интегрирование во времени, что приводит к установлению зависимости, при которой изменение силы тока в цепи миллиамперметра

где — число витков измерительной катушки; — изменение измеряемого потока; к — постоянная цепи обратной связи.

Таким образом, по силе тока I можно судить о потоке Шкалу миллиамперметра градуируют в единицах магнитного потока.

Фотогальванометрический веберметр обладает высокой чувствительностью, что позволяет измерять весьма малые магнитные потоки. Благодаря действию отрицательной обратной связи входное сопротивление прибора увеличивается, что дает возможность использовать измерительные катушки с высоким сопротивлением (100 Ом и более).

В настоящее время находят применения также электронные аналоговые и цифровые веберметры. В аналоговом электронном веберметре интегрирующее звено выполняют в виде интегрирующего усилителя. В цифровом веберметре измерение магнитного потока осуществляется путем измерения времени разряда интегрирующего конденсатора, который заряжается током измерительной катушки.

Значительное увеличение точности измерения магнитного потока (погрешность измерения может обеспечить цифровой веберметр, основанный на преобразовании выходного сигнала измерительной катушки в частоту импульсов.

Серийно выпускаемые веберметры имеют следующие верхние пределы измерений: магнитоэлектрические — от 500 до фотогальванометрические — от 2 до электронные аналоговые — от 25 до цифровые — от до Основная приведенная погрешность цифрового веберметра для остальных видов