Измерение электрических и магнитных величин

 

 

 

   6.2.1 Преобразователи  Холла

 

 

 

 

Материалами для изготовления преобразователей Холла служат германий, арсенид галлия, сурьмянистый индии и др. В металлах эффект Холла проявляется значительно слабее, поэтому преобразователи из них не применяются.

Преобразователь Холла  представляет собой тонкую пластину из полупроводникового материала малых размеров (максимальный из размеров 1—1,5 мм, рисунок 25)

 

                                                          

 

 

 

 

Рисунок 25- Преобразователь  Холла.

 Возникающую на боковых гранях пластины разность потенциалов называют ЭДС Холла Е_Х

Е_Х = R_xIB/h

где I — ток; В — нормальная к пластине составляющая вектора магнитной индукции; Rx—постоянная Холла; h —толщина пластины. 

Достоинством преобразователей Холла является то, что они позволяют  измерять индукцию и напряженность  как в постоянных, так и в  переменных магнитных полях в  широком диапазоне частот; их малые размеры делают доступными измерения в зазорах магнитных цепей.

Погрешность преобразования составляет 1—3%. Однако она может  быть снижена схемотехническими  методами более чем на порядок. .

Недостатки преобразователей Холла заключаются в невысокой чувствительности и сильной зависимости постоянной Холла от температуры. Исследования в этом направлении привели к разработке преобразователей Холла с чувствительностью до 2,5 В/(А·Тл) и температурным коэффициентом постоянной не более 0,03 %/°С.

На рисунке 26 изображена упрощенная принципиальная схема тесламетра с преобразователем Холла для измерения индукции постоянных магнитных полей.     

 

                          

 

Рисунок 26 –  Упрощенная принципиальная схема тесламетра с преобразователем Холла.

Преобразователь Холла ПХ питается переменным током частотой 1000 Гц от встроенного генератора Г через разделительный трансформатор Т. В целях повышения точности измерение ЭДС Холла проводится компенсационным методом. Напряжение компенсации U_K, снимаемое с резистора R₁ и ЭДС Холла Ех подаются в противофазе через резисторы R₃ и R₄ на вход усилителя. С выхода усилителя напряжение, пропорциональное сумме Ех и U_K, поступает на фазочувствительный выпрямитель. Момент компенсации определяют при помощи микроамперметра с двусторонней 
шкалой, подключенного к выходу фазочувствительного выпрямителя, а измеренное значение магнитной индукции отсчитывают по шкале резистора R₁. Угол сдвига фаз между Ех и U_K должен быть равен 180°, что является необходимым условием компенсации и обеспечивается выбором фазы тока в преобразователе Холла в зависимости от направления исследуемого поля. Для этого переключатель SA ставят в положение S или N, соответствующее направлению поля. 

  Вследствие того  что преобразователь Холла и  компенсационная цепь питаются  от одного генератора, исключается погрешность от нестабильности напряжении генератора. В тесламетрах с этими преобразователями предусматривается также коррекция нелинейной зависимости ЭДС Холла от магнитной индукции. -

Промышленностью выпускается  ряд приборов с преобразователями Холла. Рассмотрим основные характеристики некоторых из них.

Тесламетр типа Ш1-8 предназначен для измерения индукции постоянных полей магнитов и электромагнитов в диапазоне 0,01 — 1,6 и катушек в диапазоне 0,01—0,3 Тл; погрешность измерения в диапазоне 0,0l—0,1 Тл непревышает ±(1,5+10^-2/В) % (В выражено в Тл), в остальном диапазоне —±2%.    "

Миллитесламетр типа Ф4356 предназначен для измерения магнитной индукции переменных полей от 0,1 до 100 мТл в диапазоне частот 20 Гц—20 кГц; класс точности 4,0.

  Цифровой миллитесламетр типа Г75 предназначен для 
измерения индукции постоянного магнитного поля в диапазоне от 1 до 1000 мТл в воздушных зазорах, отверстиях и 
каналах различных устройств с магнитнцй цепью; пределы 
допустимой основной погрешности составляют ± (0,2+0,3 В_К/ В) % на пределе измерения 10мТл; ±(0,4++0,6B _К/B) % на остальных пределах (В_к — конечное значение установленного предела магнитной  индукции, В — 
показание прибора)., 

 

 

6.2.2 Магниторезистивные преобразователи

 

 

Для изготовления магниторезистивных преобразователей находят применение висмут, сурьмянистый индий, сурьмянистый никель и другие материалы.

Относительное изменение  сопротивления металла или полупроводникового материала при воздействии магнитного поля с индукцией В

ΔR/R = Au_н.зB²

где u_н.з — подвижность носителей заряда; А — коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров преобразователя и свойств материала.

Наибольшее относительное  изменение сопротивления дает магниторезистивный преобразователь, имеющий форму диска с электродом в центре и электродом по окружности, поскольку в данном случае погрешность,   связанная  с эффектом Холла, практически отсутствует. Находят применение также магниторезистивные преобразователи прямоугольной формы и в виде меандра. Достоинством последних является более высокое омическое сопротивление, достигающее сотен и тысяч ом. Кроме того, зависимость ΔR/R=f(В) для прямоугольных магниторезисторов при индукциях более 0,3 Тл приближается к линейной. Недостаток магниторезистивных преобразователей, как и преобразователей Холла, состоит в сильной зависимости функции преобразования от температуры.

В качестве измерительной  цепи, в которую включают магниторезисторы, обычно используют четырехплечие мосты.

 

 

6.3 Ферромодуляционные преобразователи

 

 

Схема тесламетра с ферромодуляционным преобразователем (феррозондом) показана на рисунке 27.

 

				".
"У-'		>
оо			■, *':

Рисунок 27 - Упрощенная   принципиальная схема тесламетра с  ферромодуляционным преобразователем

Ферромодуляционный преобразователь ФМП представляет собой в простейшем случае систему из двух одинаковых стержневых магнитопроводов, выполненных из материалов с высокой магнитной проницаемостью (пермаллоя), с нанесенными на каждый из них двумя обмотками, причем w₁=w₃; w₂=w₄. Обмотки w₁ и w₃, называемые обмотками возбуждения, соединены таким образом, что создаваемые ими магнитные потоки направлены встречно. В отсутствие внешнего магнитного поля при синусоидальном намагничивающем токе потоки в магнитопроводах несинусоидальны из-за нелинейности характеристики В(Н), но симметричны относительно оси времени. Наводимые потоками ЭДС в измерительных  обмотках w₂ и w₄ будут равны, хотя они также несинусоидальны, но симметричны относительно оси времени. При показанном на рисунке 27 соединении обмоток w₂ и w₄ результирующая ЭДС е равна нулю.

   Наложение постоянного  измеряемого магнитного поля  с индукцией В на переменное поле изменяет магнитное состояние магнитопроводов.

Потоки в магнитопроводах становятся несимметричными относительно оси времени, т. е. в их составе кроме нечетных гармоник появляются также четные гармоники. С увеличением индукции измеряемого поля В увеличивается амплитуда четных гармоник. Очевидно, что если в одном из магиитопроводов мгновенное значение возбуждающего поля совпадает по направлению с измеряемым, то в другом оно противоположно измеряемому.

  В результате  в измерительных обмотках w₂ и w₄ наведутся несинусоидальные и несимметричные относительно оси времени ЭДС е₂ и е₄, при этом нечетные гармоники е₂ и е₄ будут совпадать по фазе, а четные будут противоположны. Поскольку обмотки w₂ и w₄ соединены последовательно и встречно, результирующая ЭДС е содержит только сумму четных гармоник, из которой при помощи фильтра выделяют вторую.     Напряжение второй гармоники усиливается и преобразуется фазочувствительным выпрямителем. Выпрямленное напряжение подается на измерительный механизм ИМ, шкала которого градуируется в значениях измеряемой индукции. Применение фазочувствительного выпрямителя вызвано необходимостью определения направления исследуемого поля.   Ферромодуляционные преобразователи пригодны для измерений как в постоянных, так и в переменных магнитных полях.

Магнитоизмерительные  приборы с этими преобразователями  являются одними из наиболее чувствительных.

Серийно выпускаемые промышленностью тесламетры с ферромодуляционными преобразователями типов СГ-70, Г-74, CГK-64M позволяют измерять магнитную индукцию в диапазоне от единиц нанотесла до единиц миллитесла с погрешностью 1—2 %.

 

 

6.4 Ядерные преобразователи

 

 

Ядерные преобразователи  относятся к группе квантовых  преобразователей, работа которых основана на взаимодействии микрочастиц с  магнитным полем. Такими микрочастицами, в частности, являются ядра атомов вещества, обладающие моментом количества движения (спином) и магнитным моментом. Отношение магнитного момента микрочастицы к ее механическому моменту называют гиромагнитным отношением и обозначают γ.

Известно, что магнитные  моменты ядер вещества, внесенного в постоянное магнитное поле, ориентируются в направлении этого поля. При изменении направления внешнего поля результирующий ядерный магнитный момент начинает прецессировать относительно нового направления магнитной индукции, т. е. вектор М_М (рисунок 28) будет вращаться с частотой

ω = γ В

относительно вектора магнитной индукции В, образуя конус с углом φ при вершине. С течением времени процесс затухает; при этом угол прецессии φ стремится к нулю, а вещество приобретает стационарную намагниченность, вектор которой совпадает с новым направлением вектора магнитной индукции внешнего поля.

 

 

 

Рисунок 28 –  Прецессия магнитного момента

Существующие методы и аппаратура позволяют определять гиромагнитное отношение ядра γ с высокой точностью, и, таким образом, измерение магнитной индукции сводится к измерению частоты прецессии ядерного магнитного момента.

Применение ядерных  преобразователей в слабых, средних  и сильных полях, а также в однородных и неоднородных полях имеет свою специфику. Для измерений магнитной индукции в слабых однородных полях, например в магнитном поле Земли, применяют ядерные преобразователи с использованием свободной прецессии. В простейшем случае такой преобразователь представляет собой стеклянную ампулу А с рабочим веществом, помещенную в катушку индуктивности L (рисунок 29).

 

 

 

 

Рисунок 29 – Устройство ядерного преобразователя.

Перед измерением вещество поляризуют, т. е. создают начальную 
ядерную намагниченность. С этой целью через катушку пропускают постоянный ток, обеспечивающий сильное вспомогательное магнитное поле с индукцией В₁, причем вектор В₁ перпендикулярен вектору измеряемой индукции В. Затем ток выключают и измеряют частоту ЭДС, наводимой в катушке L переменным магнитным потоком, вызываемым 
свободной прецессией результирующего ядерного магнитного момента. 
Для расчета В используют следующую формулу

В= ω / γ 

Точность измерений  магнитной индукции описанным способом весьма высока, поскольку гиромагнитное отношение ядра и частота прецессии могут быть определены с большой точностью.

Для измерений магнитной  индукции в средних однородных полях 
(0,05—2 Тл) применяют ядерные преобразователи с использованием 
вынужденной прецессии. Преобразователь состоит из ампулы А с рабочим веществом, находящейся внутри катушки индуктивности L (рисунок 29). 

Катушку располагают  в исследуемом поле так, чтобы ее ось симметрии была перпендикулярна вектору измеряемой индукции В₁ и пропускают переменный ток, модулированный по частоте. При совпадении частоты переменного поля В₁ с частотой прецессии суммарного ядерного магнитного момента, обусловленного измеряемой индукцией В₁ наблюдается резонансное поглощение энергии переменного поля ядрами вещества.  

     На частоте  ядерного магнитного резонанса  угол прецессии φ достигает максимального значения, равного π/2, а эквивалентная добротность катушки L резко уменьшается. Это происходит дважды за период изменения частоты переменного поля и может быть обнаружено электронно-лучевым осциллографом. Резонансную частоту измеряют волномером или цифровым частотомером.

Наиболее часто в  подобных преобразователях в качестве резонирующих применяют ядра атомов водорода (протоны), а также ядра атомов лития и дейтерия, содержащиеся соответственно в обычной воде, насыщенном растворе хлористого лития и тяжелой воде.

Описанные преобразователи  пригодны для измерений в полях  с неоднородностью, не превышающей 0,2 %/см. В полях с большой неоднородностью ядерный магнитный резонанс не наблюдается, так как ядерные магнитные моменты элементарных объемов рабочего вещества прецессируют с разными частотами.

Кроме того, известны также  ядерные преобразователи с использованием вынужденной прецессии для измерений в слабых однородных полях. В таких преобразователях применяют предварительную поляризацию движущегося вещества сильным вспомогательным полем, поскольку собственно измеряемое поле не может обеспечить уровень измерительного сигнала, достаточный для выделения его из шума.

Наиболее универсальными являются ядерные преобразователи  с использованием вынужденной прецессии  в движущемся рабочем веществе, с индикацией сигнала ядерного магнитного резонанса методом нутации. Они позволяют измерять магнитную индукцию в широком диапазоне (10^-5 —25 Тл) при неоднородности поля до 10 %/см.

Измерения параметров полей, в основу которых положена связь  между измеряемой магнитной индукцией  и частотой ядерного магнитного резонанса через гиромагнитное отношение, являются самыми точными и используются, как указывалось, для передачи размера единицы магнитной индукции от первичного и специальных эталонов образцовым и высокоточным рабочим средствам измерений.