15-5. ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В настоящее время необходимость измерять параметры магнитных полей возникает во многих областях науки и техники. Например, при исследовании магнитного поля Земли, планет и космического пространства; при геологической разведке полезных ископаемых; в криогенной электроэнергетике; при исследовании магнитных полей биологических объектов в медицине; при неразрушающем контроле материалов и изделий; при измерении больших токов без разрыва цепи; в приборостроительной, машиностроительной, электронной и радиотехнической промышленности и т. д. Каждая из этих областей предъявляет свои требования к диапазону и точности измерений, частотному диапазону измеряемых величин, условиям эксплуатации средств

Таблица 15-8 (см. скан)

измерений. Так, например, магнитную индукцию необходимо измерять в диапазоне от до частотный диапазон полей колеблется в пределах от нуля до нескольких десятков мегагерц. Погрешность измерения должна быть в пределах от тысячных долей до единиц процентов.

В табл. 15-8 приведены данные о предельных характеристиках — диапазонах измерений и частотных диапазонах современных тесламетров (первая цифра в графе «Диапазон измерений» соответствует порогу чувствительности). В табл. 15-9 приведены основные характеристики магнитоизмерительных приборов, серийно выпускаемых отечественной промышленностью.

Для измерения параметров постоянных магнитных полей широко используется индукционно-импульсный способ. Схема измерения этим способом приведена на рис. 15-24, где ИК — измерительная

Таблица 15-9 (см. скан)

Рис. 15-24. Схема измерения магнитного потока индукционно-импульсным методом с помощью баллистического гальванометра

катушка; — баллистический гальванометр; М — образцовая катушка взаимной индуктивности.

При изменении потока, сцепленного с витками измерительной катушки например от до 0, на зажимах измерительной катушки возникает ЭДС, которая уравновешивается падением напряжения и ЭДС индуктивности в цепи гальванометра:

где — число витков измерительной катушки; — сила тока в цепи катушки; — сопротивление гальванометра, измерительной катушки и обмотки катушки — индуктивность цепи.

Первое наибольшее отклонение указателя гальванометра определяется интегралом по времени от силы тока импульса (см. § 5-3), т. е. количеством электричества в импульсе тока.

Интегрируя левую и правую части выражения (15-5) в пределах времени изменения потокосцепления и учитывая, что в момент начала и окончания изменения потокосцепления сила тока равна нулю, получим

где — изменение потока за указанное время (в нашем случае — баллистическая постоянная гальванометра; — первое наибольшее отклонение указателя гальванометра; — постоянная баллистическая гальванометра по магнитному потоку.

В левой части последнего выражения знак «минус» опущен, так как измеряется абсолютное значение изменения магнитного потока.

Из выражения (15-6) видно, что постоянная баллистического гальванометра зависит от сопротивления цепи, поэтому определять ее необходимо при том сопротивлении цепи, при котором производится измерение магнитного потока. Кроме того, так как точность интегрирования импульса зависит от его длительности,

изменение потока должно происходить достаточно быстро. Чтобы погрешность интегрирования не превышала продолжительность импульса должна быть в 20—30 раз меньше периода колебаний подвижной части гальванометра.

Для определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному потоку используют катушку с известным коэффициентом взаимной индуктивности (см. рис. 15-24). При изменении силы тока в первичной обмотке катушки взаимной индуктивности на во вторичной обмотке, присоединенной к баллистическому гальванометру, произойдет изменение потокосцепления что вызовет отклонение указателя гальванометра . Отсюда постоянная баллистического гальванометра по магнитному потоку

Измерение магнитного потока описанным способом упрощается при использовании веберметра (см. рис. 10-1), так как в этом случае исключается определение постоянной прибора.

При использовании баллистического гальванометра и веберметра измеряют потокосцепление по которому можно подсчитать значения магнитного потока магнитной индукции и напряженности поля (в вакууме и в воздухе), применяя следующие соотношения:

где — число витков измерительной катушки; — площадь ее витка; — магнитная постоянная.

Погрешность измерения параметров магнитного поля описанным способом и указанными средствами измерений находится в пределах

Баллистический гальванометр обладает высокой чувствительностью и позволяет определять параметры магнитных полей с погрешностью (см. § 10-2), но требует определения постоянной в каждом эксперименте и работы в лабораторных условиях. Веберметры градуированы в единицах магнитного потока, просты и удобны в эксплуатации, однако многие их модификации обладают меньшей, чем баллистические гальванометры, чувствительностью и точностью. Исключение составляют цифровые веберметры (см. табл. 15-9).

Фотогальзанометрические веберметры сложнее и дороже магнитоэлектрических, поэтому ими целесообразно пользоваться тогда, когда чувствительность магнитоэлектрических веберметров недостаточна для выполнения необходимых измерений.

Электронные аналоговые и цифровые веберметры имеют широкий диапазон измерений и высокую точность.

С помощью индукционного преобразователя (измерительной катушки), помещенного в измеряемое магнитное поле, и вольтметра для измерения наводимой в нем ЭДС, могут быть измерены параметры переменного магнитного поля. Более подробно этот способ рассмотрен далее.

Для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля используют различные виды тесламетров и приборов для измерений напряженности магнитного поля (см. § 10-2 и табл. 15-8 и 15-9), которые упрощают процесс измерений по сравнению с описанным выше способом, а иногда позволяют расширить диапазон измеряемых величин и повысить точность измерений.

По значению магнитной индукции различают слабые поля — средние поля — и сильные поля — При этом поля могут быть различных частот.

Рассмотрим области применения наиболее распространенных и перспективных приборов.

Тесламетрами с преобразователем Холла измеряют параметры средних и сильных магнитных полей. Преобразователи в этих приборах имеют малые габариты; приборы просты и удобны в эксплуатации. Тесламетры с квантовыми преобразователями (различных видов), обладающие высокой чувствительностью и точностью, используют для измерения параметров слабых и средних, постоянных и переменных (до магнитных полей. Ферромодуляционные тесламетры обладают высокой чувствительностью и средней точностью, имеют малые габариты преобразователя, просты и надежны. Они широко используются для измерения параметров слабых и средних, постоянных и переменных (до 1 кГц) магнитных полей. Сверхпроводниковые тесламетры обладают уникальной чувствительностью (теоретический порог чувствительности высокой точностью, стабильностью, но они сложны и дороги. Их используют для измерения параметров слабых постоянных и переменных (до магнитных полей.