Прилади для вимірювань магнітної ІНДУКЦІЇ І НАПРУЖЕНОСТІ магнітного поля
Тесламетри з перетворювачем Холла.
Тесламетр - магнітовимірювальних прилад для вимірювання магнітної індукції, шкала якого градуйована в одиницях магнітної індукції - теслах.
Магнітовимірювальних перетворювачем в розглянутому приладі є гальваномагнітними перетворювач Холла, в якому під дією магнітного поля виникає ЕРС.
До гальваномагнітними відноситься також магніторезистивний перетворювач, в якому використовується зміна його електричного опору в магнітному полі.
Принцип дії Тесламетр з перетворювачем Холла пояснюється рис. 10-3, де ПХ - перетворювач Холла; У - підсилювач.
Перетворювач являє собою пластину з напівпровідника, по якій протікає струм При приміщенні пластини в магнітне поле, вектор магнітної індукції В якого перпендикулярний площині пластини, на бічних гранях її виникає різниця потенціалів - ЕРС Холла
де С - постійна, що залежить від властивостей матеріалу і розмірів пластини; I - сила струму; В - магнітна індукція.
Після посилення ЕРС Холла вимірюється компенсатором постійного струму або милливольтметром шкала якого може бути градуйована в одиницях магнітного потоку при умові постійних сили струму.
Тесламетри з перетворювачем Холла прості в експлуатації, дозволяють вимірювати магнітну індукцію або напруженість постійних, змінних (в широкому діапазоні частот) і імпульсних магнітних полів. Перетворювачі Холла мають малі розміри, що дозволяє проводити вимірювання індукції в малих зазорах.
Випускаються промисловістю тесламетри з перетворювачем Холла мають більш складні схеми. У серійних Тесламетр з перетворювачами Холла верхні межі вимірів від до основна приведена похибка
Ферромодуляціонние тесламетри.
У них використовуються ферромодуляціонние перетворювачі (феррозонди), принцип роботи яких заснований на особливостях зміни магнітного стану феромагнітного сердечника при одночасному впливі на нього змінного і постійного магнітних полів (або двох змінних полів різних частот) і явища електромагнітної індукції.
Існує багато різновидів ферромодуляціонних перетворювачів. Найбільш поширеним видом є диференційний ферромодуляціонний перетворювач.
На рис. 10-4 наведена схема ферромодуляціонного Тесламетр, в якому має місце уравновешивающее
Мал. 10-3. Схема Тесламетр з перетворювачем Холла
Мал. 10-4. Схема ферромодуляціонного Тесламетр
перетворення з компенсацією (уравновешиванием) магнітної індукції (напруженості) вимірюваного магнітного поля.
Диференціальний ферромодуляціонний преобразозатель ФМП складається з двох ідентичних за розмірами і властивостями пермаллоєвих сердечників С, однакових, включених зустрічно, обмоток збудження які харчуються змінним струмом від генератора Г.
Обидва сердечника охоплює індикаторна обмотка При відсутності постійного поля ЕРС на затискачах індикаторної обмотки дорівнює нулю, так як потоки, створювані обмотками однакові і спрямовані зустрічно. Якщо на змінне поле (поле збудження) накласти постійне поле (вимірюється) вектор якого паралельний осі сердечника, то крива змінної складової індукції В стане несиметричною відносно осі часу, т. Е. В складі цієї кривої поряд з непарними з'являться парні гармоніки, причому ступінь асиметрії залежить від значення значення ЕРС парних гармонік, індукованої в індикаторної обмотці, зокрема ЕРС другої гармоніки, залежить від значення напруженості або магнітної індукції постійного (вимірюваного) магнітного поля.
Електрорушійна сила другої гармоніки є лінійною функцією складової магнітної індукції (або напруженості) постійного магнітного поля, паралельної осі перетворювача, т. Е.
де і - коефіцієнти перетворення, що залежать від параметрів ферромодуляціонного перетворювача, частоти і значення напруженості поля збудження; - вимірювана магнітна індукція; - напруженість магнітного поля.
Вихідний сигнал індикаторної обмотки (ЕРС парних гармонік) надходить на вхід виборчого підсилювача підсилює другу гармоніку, потім синхронний випрямляч синхронізований генератором Г. Синхронний випрямляч перетворює ЕРС другої гармоніки в пропорційний їй, а отже, і вимірюваної постійний струм який протікає через обмотку зворотного зв'язку розміщується на ферромодуляціонном перетворювачі і створює компенсує поле з індукцією Завдяки врівноважуючим перетворенню встановлюється така сила ток а щоб поле з індукцією стало рівним за значенням і зворотним по напрямку вимірюваного з індукцією т. е. відбувається автоматична компенсація вимірюваного поля компенсаційним Міліамперметр, включений в ланцюг обмотки зворотного зв'язку, градуируют в одиницях вимірюваної величини - теслах або амперах на метр.
Прилади з ферромодуляціоннимі перетворювачами мають високу чутливість, високою точністю вимірювання, дозволяють вести безперервні вимірювання, що зумовило їх широке поширення (зокрема, для вимірювання магнітного поля Землі).
Ферромодуляціонние тесламетри використовують для вимірювання магнітної індукції (або напруженості магнітного поля) в малих постійних і низькочастотних змінних магнітних полях.
Діапазон вимірювань такими приладами лежить в межах від до похибка вимірювання від 1,0 до 5%.
В даний час знаходять все більш широке застосування цифрові ферромодуляціонние тесламетри, які мають підвищену точність і швидкодію.
Ядерно-резонансні тесламетри.
У цих Тесламетр використовується різновид квантового магнітовимірювальних перетворювача. Квантовими називають магнітовимірювальних перетворювачі, дія яких заснована на взаємодії мікрочастинок (атомів, ядер атомів, електронів) з магнітним полем.
Існує кілька різновидів квантових перетворювачів. Розглянемо принцип дії одного з них - ядерно-резонансного перетворювача, що дозволяє вимірювати магнітну індукцію з високою точністю.
Ядерно-резонансний перетворювач діє таким чином. Ядра атомів речовини, що володіють не тільки моментом кількості руху, а й магнітним моментом, при приміщенні в зовнішнє магнітне поле починають прецессировать навколо вектора магнітної індукції зовнішнього поля.
Частота прецесії ядер атомів речовини пов'язана з магнітною індукцією В зовнішнього поля співвідношенням
де у - гіромагнітне відношення (відношення магнітного моменту ядра атома до моменту кількості руху).
Отже, вимірявши частоту прецесії, можна визначити значення магнітної індукції. Гіромагнітне відношення визначено для ядер атомів деяких речовин з високою точністю (наприклад, для ядер водню похибка становить Вимірювання частоти може бути виконано з похибкою, що не перевищує Таким чином, розглянутий перетворювач може забезпечити вимір магнітної індукції з високою точністю.
Для вимірювання частоти прецесії використовують різні методи. Один з них заснований на явищі ядерного магнітного резонансу.
Спрощена структурна схема приладу, в якому використано явище ядерного магнітного резонансу, наведена на рис. 10-5, де ЯРП - ядсрно-резонансний перетворювач, що складається з ампули Л з робочою речовиною (наприклад, водний розчин і охоплює її котушки - генератор високої частоти; - генератор низької частоти; - модуляційна котушка; В - випрямляч; - електронний осцилограф; - частотомір.
Якщо на вимірюваний постійне поле накласти під кутом 90 ° змінне поле частоту якого можна плавно змінювати, то при збігу частоти прецесії з частотою змінного поля буде спостерігатися явище ядерного магнітного резонансу - амплітуда прецесії зросте і досягне максимального значення. Збільшення амплітуди прецесії супроводжується поглинанням ядрами речовини частини енергії високочастотного поля, що призводить до зміни добротності котушки, а отже, і до зміни напруги на її кінцях (котушка До є елементом коливального контуру генератора Для того щоб мати можливість спостерігати це зміна на екрані осцилографа, необхідно створити умови для його періодичного повторення, що досягається шляхом модуляції вимірюваної магнітної індукції за допомогою котушки живиться струмом низької частоти від гені ратора Момент резонансу (рівність частот прецесії і напруги генератора може бути зафіксовано за допомогою електронного осцилографа, на
Мал. 10-5. Схема ядерно-резонанс Тесламетр
вертикальний вхід якого подають після випрямлення напруга з котушки на горизонтальний - напруга модуляції (напруга ГНЧ). Резонансна крива спостерігається на екрані осцилографа два рази за період модуляції. Частота прецесії визначається шляхом вимірювання частоти генератора ГВЧ в момент резонансу.
Ядерно-резонансні тесламетри мають діапазон вимірювань основна приведена похибка для різних приладів знаходиться в межах
Ядерно-резонансні тесламетри в поєднанні зі спеціальними перетворювачами сили струму в напруженість магнітного поля застосовують для вимірювання великих струмів з високою точністю.
В останні роки для створення магнітовимірювальних приладів використовують явище надпровідності, яке в поєднанні з ефектами Мейснера, Джозефсона і ін. Дозволяє створювати пристрої унікальною чутливості, високої точності та швидкодії.
Розглянемо принцип дії одного з таких приладів. Магнітовимірювальних перетворювач являє собою суцільний циліндр з надпровідного матеріалу, на який намотана обмотка. На циліндрі, вміщеному в вимірюваний магнітне поле, є нагрівач, який забезпечує періодичний, з частотою 1 МГц, нагрівання та охолодження його до температури більше або менше критичної для даного надпровідного матеріалу. Це призводить до періодичного виштовхування вимірюваного магнітного потоку (ефект Мейснера) з обсягу циліндра, а отже, і зміни потокосцепления його з обмоткою. В результаті в обмотці виникає ЕРС, пропорційна частоті струму нагрівача, числу витків котушки, перетину циліндра і напруженості вимірюваного магнітного поля (вимірюється складова поля, що збігається з напрямком осі циліндра).
Прилад складається з перетворювача, кріостату і електронного вимірювального пристрою, службовця для виділення і вимірювання ЕРС.
За допомогою надпровідникових Тесламетр були виміряні параметри магнітного поля біострумів серця і мозку людини
Характеристики серійно випускаються Тесламетр наведені в табл. 15-9.
Основні напрямки розвитку магнітовимірювальних приладів: підвищення точності, чутливості і розширення
функціональних можливостей шляхом застосування нових фізичних явищ, нових матеріалів і технологій виготовлення магнітовимірювальних перетворювачів, а також шляхом використання засобів обчислювальної техніки і т. п.