ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Тесламетры с преобразователем Холла.

Тесламетр — магнитоизмерительный прибор для измерения магнитной индукции, шкала которого градуирована в единицах магнитной индукции — теслах.

Магнитоизмерительным преобразователем в рассматриваемом приборе является гальваномагнитный преобразователь Холла, в котором под действием магнитного поля возникает ЭДС.

К гальваномагнитным относится также магниторезистивный преобразователь, в котором используется изменение его электрического сопротивления в магнитном поле.

Принцип действия тесламетра с преобразователем Холла поясняется рис. 10-3, где ПХ — преобразователь Холла; У — усилитель.

Преобразователь представляет собой пластину из полупроводника, по которой протекает ток При помещении пластины в магнитное поле, вектор магнитной индукции В которого перпендикулярен плоскости пластины, на боковых гранях ее возникает разность потенциалов — ЭДС Холла

где С — постоянная, зависящая от свойств материала и размеров пластины; I — сила тока; В — магнитная индукция.

После усиления ЭДС Холла измеряется компенсатором постоянного тока или милливольтметром шкала которого может быть градуирована в единицах магнитного потока при условии постоянства силы тока.

Тесламетры с преобразователем Холла просты в эксплуатации, позволяют измерять магнитную индукцию или напряженность постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полей. Преобразователи Холла имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение индукции в малых зазорах.

Выпускаемые промышленностью тесламетры с преобразователем Холла имеют более сложные схемы. У серийных тесламетров с преобразователями Холла верхние пределы измерений от до основная приведенная погрешность

Ферромодуляционные тесламетры.

В них используются ферромодуляционные преобразователи (феррозонды), принцип работы которых основан на особенностях изменения магнитного состояния ферромагнитного сердечника при одновременном воздействии на него переменного и постоянного магнитных полей (либо двух переменных полей различных частот) и явления электромагнитной индукции.

Существует много разновидностей ферромодуляционных преобразователей. Наиболее распространенным видом является дифференциальный ферромодуляционный преобразователь.

На рис. 10-4 приведена схема ферромодуляционного тесламетра, в котором имеет место уравновешивающее

Рис. 10-3. Схема тесламетра с преобразователем Холла

Рис. 10-4. Схема ферромодуляционного тесламетра

преобразование с компенсацией (уравновешиванием) магнитной индукции (напряженности) измеряемого магнитного поля.

Дифференциальный ферромодуляционный преобразозатель ФМП состоит из двух идентичных по размерам и свойствам пермаллоевых сердечников С, одинаковых, включенных встречно, обмоток возбуждения которые питаются переменным током от генератора Г.

Оба сердечника охватывает индикаторная обмотка При отсутствии постоянного поля ЭДС на зажимах индикаторной обмотки равна нулю, так как потоки, создаваемые обмотками одинаковы и направлены встречно. Если на переменное поле (поле возбуждения) наложить постоянное поле (измеряемое) вектор которого параллелен оси сердечника, то кривая переменной составляющей индукции В станет несимметричной относительно оси времени, т. е. в составе этой кривой наряду с нечетными появятся четные гармоники, причем степень асимметрии зависит от значения Значение ЭДС четных гармоник, индуцированной в индикаторной обмотке, в частности ЭДС второй гармоники, зависит от значения напряженности или магнитной индукции постоянного (измеряемого) магнитного поля.

Электродвижущая сила второй гармоники является линейной функцией составляющей магнитной индукции (или напряженности) постоянного магнитного поля, параллельной оси преобразователя, т. е.

где и — коэффициенты преобразования, зависящие от параметров ферромодуляционного преобразователя, частоты и значения напряженности поля возбуждения; — измеряемая магнитная индукция; — напряженность магнитного поля.

Выходной сигнал индикаторной обмотки (ЭДС четных гармоник) поступает на вход избирательного усилителя усиливающего вторую гармонику, затем синхронный выпрямитель синхронизируемый генератором Г. Синхронный выпрямитель преобразует ЭДС второй гармоники в пропорциональный ей, а следовательно, и измеряемой постоянный ток который протекает через обмотку обратной связи размещаемую на ферромодуляционном преобразователе и создающую компенсирующее поле с индукцией Благодаря уравновешивающему преобразованию устанавливается такая сила тока чтобы поле с индукцией стало равным по значению и обратным по направлению измеряемому с индукцией т. е. происходит автоматическая компенсация измеряемого поля компенсационным Миллиамперметр, включенный в цепь обмотки обратной связи, градуируют в единицах измеряемой величины — теслах или амперах на метр.

Приборы с ферромодуляционными преобразователями обладают высокой чувствительностью, высокой точностью измерения, позволяют вести непрерывные измерения, что обусловило их широкое распространение (в частности, для измерения магнитного поля Земли).

Ферромодуляционные тесламетры используют для измерения магнитной индукции (или напряженности магнитного поля) в малых постоянных и низкочастотных переменных магнитных полях.

Диапазон измерений такими приборами лежит в пределах от до погрешность измерения от 1,0 до 5 %.

В настоящее время находят все более широкое применение цифровые ферромодуляционные тесламетры, которые имеют повышенную точность и быстродействие.

Ядерно-резонансные тесламетры.

В этих тесламетрах используется разновидность квантового магнитоизмерительного преобразователя. Квантовыми называют магнитоизмерительные преобразователи, действие которых основано на взаимодействии микрочастиц (атомов, ядер атомов, электронов) с магнитным полем.

Существует несколько разновидностей квантовых преобразователей. Рассмотрим принцип действия одного из них — ядерно-резонансного преобразователя, позволяющего измерять магнитную индукцию с высокой точностью.

Ядерно-резонансный преобразователь действует следующим образом. Ядра атомов вещества, обладающие не только моментом количества движения, но и магнитным моментом, при помещении во внешнее магнитное поле начинают прецессировать вокруг вектора магнитной индукции внешнего поля.

Частота прецессии ядер атомов вещества связана с магнитной индукцией В внешнего поля соотношением

где у — гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента ядра атома к моменту количества движения).

Следовательно, измерив частоту прецессии, можно определить значение магнитной индукции. Гиромагнитное отношение определено для ядер атомов некоторых веществ с высокой точностью (например, для ядер водорода погрешность составляет Измерение частоты может быть выполнено с погрешностью, не превышающей Таким образом, рассматриваемый преобразователь может обеспечить измерение магнитной индукции с высокой точностью.

Для измерения частоты прецессии используют различные методы. Один из них основан на явлении ядерного магнитного резонанса.

Упрощенная структурная схема прибора, в котором использовано явление ядерного магнитного резонанса, приведена на рис. 10-5, где ЯРП — ядсрно-резонансный преобразователь, состоящий из ампулы Л с рабочим веществом (например, водный раствор и охватывающей ее катушки — генератор высокой частоты; — генератор низкой частоты; — модуляционная катушка; В — выпрямитель; — электронный осциллограф; — частотомер.

Если на измеряемое постоянное поле наложить под углом 90° переменное поле частоту которого можно плавно изменять, то при совпадении частоты прецессии с частотой переменного поля будет наблюдаться явление ядерного магнитного резонанса — амплитуда прецессии возрастет и достигнет максимального значения. Увеличение амплитуды прецессии сопровождается поглощением ядрами вещества части энергии высокочастотного поля, что приводит к изменению добротности катушки, а следовательно, и к изменению напряжения на ее концах (катушка К является элементом колебательного контура генератора Для того чтобы иметь возможность наблюдать это изменение на экране осциллографа, необходимо создать условия для его периодического повторения, что достигается путем модуляции измеряемой магнитной индукции с помощью катушки питаемой током низкой частоты от генератора Момент резонанса (равенство частот прецессии и напряжения генератора может быть зафиксировано с помощью электронного осциллографа, на

Рис. 10-5. Схема ядерно-резонансиого тесламетра

вертикальный вход которого подают после выпрямления напряжение с катушки на горизонтальный — напряжение модуляции (напряжение ГНЧ). Резонансная кривая наблюдается на экране осциллографа два раза за период модуляции. Частота прецессии определяется путем измерения частоты генератора ГВЧ в момент резонанса.

Ядерно-резонансные тесламетры имеют диапазон измерений основная приведенная погрешность для различных приборов находится в пределах

Ядерно-резонансные тесламетры в сочетании со специальными преобразователями силы тока в напряженность магнитного поля применяют для измерения больших токов с высокой точностью.

В последние годы для создания магнитоизмерительных приборов используют явление сверхпроводимости, которое в сочетании с эффектами Мейснера, Джозефсона и др. позволяет создавать приборы уникальной чувствительности, высокой точности и быстродействия.

Рассмотрим принцип действия одного из таких приборов. Магнитоизмерительный преобразователь представляет собой сплошной цилиндр из сверхпроводящего материала, на который намотана обмотка. На цилиндре, помещенном в измеряемое магнитное поле, имеется нагреватель, который обеспечивает периодический, с частотой 1 МГц, нагрев и охлаждение его до температуры больше или меньше критической для данного сверхпроводящего материала. Это приводит к периодическому выталкиванию измеряемого магнитного потока (эффект Мейснера) из объема цилиндра, а следовательно, и изменению потокосцепления его с обмоткой. В результате в обмотке возникает ЭДС, пропорциональная частоте тока нагревателя, числу витков катушки, сечению цилиндра и напряженности измеряемого магнитного поля (измеряется составляющая поля, совпадающая с направлением оси цилиндра).

Прибор состоит из преобразователя, криостата и электронного измерительного устройства, служащего для выделения и измерения ЭДС.

С помощью сверхпроводниковых тесламетров были измерены параметры магнитного поля биотоков сердца и мозга человека

Характеристики серийно выпускаемых тесламетров приведены в табл. 15-9.

Основные направления развития магнитоизмерительных приборов: повышение точности, чувствительности и расширение

функциональных возможностей путем применения новых физических явлений, новых материалов и технологий изготовления магнитоизмерительных преобразователей, а также путем использования средств вычислительной техники и т. п.