Особенности применения измерительных преобразователей МП

При выборе типа измерительного преобразователя МП и при его дальнейшем использовании необходимо руководствоваться нижеприведенными рекомендациями, с целью повышения точности измерений.

1. Следует обращать внимание не только на диапазон измеряемой магнитной индукции (или др. параметров, характеризующих МП) и его частотный диапазон, но и на рабочий температурный диапазон.

2. Необходимо учитывать, что при измерении переменного МП ему всегда сопутствует переменное электрическое поле (взаимосвязь между этими полями описывается уравнениями Максвелла). Электрическое поле также воздействует на датчик и вносит тем самым дополнительную погрешность. Для ее уменьшения применяют избирательное экранирование датчика от электрической составляющей электромагнитного поля. По этой же причине целесообразно экранировать и сигнальные провода, идущие от датчика.

3. Если первичный преобразователь изготовлен из материала, имеющего магнитную проницаемость, отличную от магнитной проницаемости среды, в которой производится измерение, то он будет искажать картину МП. Поэтому необходимо, чтобы геометрические размеры датчика были значительно меньше пространства исследуемого МП, чтобы вносимое датчиком возмущение поля было пренебрежимо мало.

4. В процессе измерения основным требованием является неподвижность датчика относительно измеряемого МП. Для этого необходимо его оградить от вибраций, возникающих, например, от работающих механических приборов, и вибраций, возникающих от акустического воздействия.

5. В случаях, когда измерительный преобразователь располагается на движущемся (вращающемся) объекте, он может испытывать значительные механические нагрузки, которые могут исказить результат измерения.

6. При измерениях вблизи проводящих (ферромагнитных или немагнитных) масс меняются характеристики первичного преобразователя. Это объясняется, например, изменением его электрической емкости, индуктивности обмотки, искажением собственного МП датчика.

7. При измерении постоянного или переменного МП исследуемого объекта, как правило, присутствуют и другие мешающие МП, например поле Земли, которые также искажают результаты измерений. Стороннее постоянное МП может приводить к перегрузке датчика или изменять магнитные свойства сердечника датчика. Для уменьшения влияния мешающих МП применяют экранирование или компенсацию вспомогательным полем.

8. Следует помнить, что при измерении неоднородного МП сигнал с датчика пропорционален среднему по его объему или площади значению вектора МП. Поэтому результаты измерений, полученные с помощью различных датчиков, имеющих разные геометрические размеры, могут отличаться друг от друга.

Магнитомеханические преобразователи

Силометрические

Принцип действия силометрических датчиков основан на силовом действии МП на постоянный магнит. Один из древнейших силометрических измерительных приборов — магнитный компас. Иногда, например в [15], [18] и [19], силометрические преобразователи называют магнитометрами.

В основном силометрические датчики используют для измерения постоянных или очень медленно меняющихся (с частотой не более единиц Герц) МП. Так как силометрические приборы имеют чувствительную к вибрации механическую часть, то эти приборы изготавливают достаточно громоздкими. Из-за этого магнитометрические приборы используют для измерения МП, которое однородно в достаточно большом объеме, например МП Земли или его вариаций (магнитных бурь). Также эти приборы могут использоваться для измерения магнитной индукции на поверхности различных тел, при этом намагниченный образец подносят непосредственно к датчику.

Рис. 12. Магнит во внешнем МП

Рассмотрим взаимодействие постоянного магнита с равномерным МП индукцией (рис. 12). Пусть магнит изготовлен из магнитотвердого материала с остаточной намагниченностью и может свободно вращаться на оси, проходящей через его центр 0. Тогда крутящий момент, действующий на магнит (т.е. , где — длина стрелки), равен

,

где — объем магнита. Разновидности таких магнитометров зависят от того, как определяется этот крутящий момент.

Приведем два способа определения крутящего момента магнита. В первом способе магнит подвешивают за его центр на кварцевой или металлической тончайшей нити с очень малым противодействующим закручиванию моментом. На магните или в месте крепления магнита с нитью закрепляют зеркальце, отражающее падающий на него луч света. Отраженный «зайчик» света попадает на шкалу, которая и является отсчетным устройством прибора.

Во втором способе используется компенсационный метод измерений: под действием измеряемого поля магнит чувствительного элемента отклоняется на какой-то угол, пропорциональный величине измеряемого поля, а под действием компенсационного МП возвращается в первоначальное нулевое положение. Компенсационное МП получают с помощью катушек с током. По величине тока, протекающего через эти катушки, и определяют величину индукции или напряженности МП.

Рис. 13. Астатический магнитометр

На магнит чувствительного элемента рассмотренных магнитометров действуют горизонтальная составляющая напряженности МП Земли и различные внешние поля. Из-за этого возникает дополнительная погрешность измерения. Для ее уменьшения используют астатические магнитометры. Подвижная часть астатического магнитометра состоит из двух жестко скрепленных магнитов (стрелок) 3 одинакового размера с равными магнитными моментами (рис.13). Чтобы суммарный магнитный момент системы был равен нулю, стрелки располагают так, что над северным полюсом одного магнита находится южный полюс другого. Такая система называется астатической. Вся эта система подвешена на тонкой нити 1 и снабжена зеркальцем 2.

Астатическая система не чувствительна к воздействию однородного МП, например земного, т.к. крутящие моменты, приложенные к верхней и нижней стрелкам, противоположны. Поэтому таким магнитометром можно измерять, например, поверхностную намагниченность образца 4, поднесенного к одной из стрелок (рис.13), или неравномерность (градиент) МП.

Величину вращающего момента, действующего на стрелки астатической системы, можно определить одним из выше рассмотренных способов.

В первом способе определения крутящего момента стрелки основным источником погрешности магнитометра является зависимость крутящего момента нити от температуры. В астатическом преобразователе неустранимым источником погрешности является влияние полей исследуемого образца на другую стрелку системы (например, влияние образца 4 на верхнюю стрелку). Общей погрешностью для всех рассмотренных магнитометров является погрешность, связанная с уменьшением намагниченности магнита чувствительного элемента (размагничивание от воздействия внешнего МП и от старения).

Силометрические преобразователи имеют высокую чувствительность (единицы нТл), надежность и возможность работы без вспомогательных источников энергии. К недостаткам можно отнести их громоздкость и невозможность измерения быстро изменяющегося МП.

Электродинамические

Работа рассматриваемых преобразователей основана на взаимодействии поля, создаваемого протекающим по катушке током, с измеряемым МП. Их устройство подобно рассмотренным выше силометрическим преобразователям, но вместо чувствительных элементов (магнитов) здесь используются катушки с током. Как и силометрические магнитометры, электродинамические приборы бывают астатическими, т.е. состоящими из двух измерительных катушек.

Рис. 14.Электро- динамический преобразователь

Рассмотрим устройство простейшего электродинамического преобразователя, изображенного на рис. 14. Он состоит из рамочной катушки, подвешенной на тонких металлических растяжках. Через эти же растяжки к катушке подводится ток от регулируемого источника тока. Значение величины тока можно определить по показаниям миллиамперметра.

Пусть электродинамический преобразователь находится в равномерном МП с индукцией (рис. 14). Тогда на стороны () рамки с током действует сила Ампера, направление которой можно определить по правилу левой руки (п. 1.1). На горизонтальные стороны () рамки действуют силы, стремящиеся сжать виток. Силы , действующие на вертикальные ребра, стремятся повернуть катушку. Крутящий момент , действующий на рамку, равен сумме двух моментов сил от каждого вертикального ребра, т.е.

,

где — рычаг, создающий совместно с силой крутящий момент; — угол между вектором индукции и плоскостью рамки. Силу можно определить, используя (3), тогда

, (29)

где — количество витков катушки, — угол между направлением тока в вертикальном ребре рамки и вектором индукции , — площадь рамки. Формула (29) пригодна для расчета крутящего момента не только прямоугольной катушки, но и катушки любой другой формы. Моменту противодействует крутящий момент нитей растяжки.

Из формулы (29) видно, что крутящий момент зависит от угла между направлением тока в вертикальном ребре рамки и вектором индукции , поэтому электродинамический преобразователь обычно располагают так, чтобы этот угол был равен , тогда .

Измерение индукции или напряженности МП рассмотренным выше электродинамическим преобразователем возможно двумя способами. В первом способе фиксируют определенное значение тока и о величине МП судят по углу поворота рамки вокруг своей оси (угол ). Недостаток этого способа заключается в том, что при углах ,близких к (т.е. когда вектор индукции почти перпендикулярен к плоскости рамки и ), чувствительность прибора низкая, поэтому измерения желательно проводить при небольших углах .

Суть измерения по второму способу состоит в изменении тока источника до тех пор, пока рамка не повернется на небольшой фиксированный угол , при этом о величине МП судят по показаниям миллиамперметра (рис. 14). Благодаря этому чувствительность датчика остается постоянной в широком диапазоне измеряемой индукции или напряженности МП.

Основным источником погрешности электродинамического датчика является зависимость крутящего момента нити от температуры, причем изменение этой температуры может происходить из-за разогрева нити протекающим током .

Электродинамические датчики имеют невысокую чувствительность (доли мТл) и пригодны для измерения только постоянного или очень медленно меняющегося МП, из-за этого они не нашли широкого применения.

Герконы

Геркон — герметизированный магнитоуправляемый контакт. Он подобен реле, переключение которого происходит под воздействием внешнего МП. Герконы можно использовать как индикаторы наличия или отсутствия МП.

Геркон (рис. 15) представляет собой впаянные в стек­лянную ампулу 2 (баллон) ферромагнитные (обычно пермаллоевые) пластины 1, служащие одновременно токоподводами, контактами и магнитопроводом. Пластины впаяны в ампулу таким образом, чтобы контакты, в качестве которых используются внутренние концы пластин, покрытые золотом, радием или вольфрамом, находились на некотором расстоянии друг от друга, были разомкнуты.

Рис. 15. Геркон

Герконы бывают вакуумные и газонаполненные, в которых стеклянная ампула заполнена азотом, водородом или другим инертным газом. К наружным концам пластин припаивают провода, служащие для присоединения к внешней цепи.

Если геркон поместить во внешнее МП с индукцией ,как показано на рисунке, то пластины 1 намагнитятся. Причем на правом конце левой пластины возникнет северный полюс магнита, а на левом конце правой пластины — южный. Из-за этого на контакты будет действовать магнитная сила притяжения. Если эта сила окажется больше противодействующего усилия упругих пластин, то произойдет замыкание контактов.

После снятия внешнего МП пластины под действием сил упругости возвратятся в исходное состояние, т. е. контакты разомкнутся.

Пороговая величина индукции МП, при которой происходит замыкание контактов геркона, может лежать в диапазоне от единиц до десятков мТл в зависимости от типа геркона. Геркон, как и все электромагнитные реле, обладает гистерезисом. Поэтому величина индукции МП, при которой происходит размыкание контактов, значительно меньше индукции замыкания.

Герконы не обладают стабильным порогом срабатывания и поэтому не могут использоваться как измерительное устройство. Но они широко используются как простые и надежные индикаторы МП, не требующие для своей работы вспомогательного источника энергии.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: