 |
А) применение баллистического гальванометра
|
|
|
|
Баллистический гальванометр отличается от обычного магнитоэлектрического гальванометра увеличенным моментом инерции подвижной части. Основное назначение гальванометра – измерение количества электричества кратковременных импульсов тока.
На рис. 12.1 показано устройство такого гальванометра: где 1 – постоянный магнит из высококоэрцеривного материала с полюсными наконечниками из магнито-мягкой стали; 2 – неподвижный сердечник из магнито-мягкой стали; 3 – бескаркасная многовитковая рамка, укрепленная на подвесе – 4; 5 – зеркальце для определения угла поворота подвижной части оптическим методом и 6 – латунный диск для увеличения момента инерции подвижной части. Ток к рамке подводится через подвеску 4 и безмоментный токопровод 7.
При прохождении по рамке гальванометра кратковременного импульса тока возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть вначале поварачивается (отбрасывается) на угол α, а затем под действием противодействующего момента возвращается в исходное состояние.
В общем виде величина первого отброса, называемого баллистическим αб, определяется уравнением
(12.2)
где SI – чувствительность гальванометра по току; Т0 – период собственных колебаний подвижной части; Q – количество электричества и β – степень успокоения, зависящая от конструктивных параметров и величины сопротивления внешней цепи. Выражение Sб = SIf(β) 2 π/Т0 называют баллистической чувствительностью.
Обратная величина баллистической чувствительности называется баллистической постоянной Сб
(12.3)
Из уравнения (12.2) с учетом (12.3) следует, что измеряемое баллистическим гальванометром количество электричества
|
|
|
(12.4)
Наибольшее отклонение подвижной части баллистического гальванометра пропорционально количеству электричества только в том случае, если время прохождения импульса тока (tимп) мало по сравнению с периодом Т0. При tимп = (0,01 ÷ 0,02) I0 погрешность не превышает 0,2 ÷ 0,3 %.
Измерение потокосцепления измеряемого магнитного поля с катушкой, подключенной к гальванометру и расположенной перпендикулярно магнитным силовым линиям, может быть осуществлено: удалением измерительной катушки за пределы поля; изменением положения катушки; изменением направления измеряемого поля относительно катушки; изменением величины магнитного поля и т. д. Наведенная при этом в катушке эдс уравновешивается падением напряжения на сопротивлении цепи и эдс самоиндукции
(12.5)
где WК – число витков катушки; r – сопротивление замкнутой цепи, включая сопротивление измерительной катушки и рамки баллистического гальванометра; L – индуктивность цепи.
Интегрируя (12.5) за период времени, определяемый началом и концом изменения потокосцепления, а также учитывая, что ток i в эти моменты времени t1 и t2 равен нулю и предполагая L = const, получаем
(12.6)
Подставив в формулу (12.6) значение Q из уравнения (12.4) и опуская знак минус, получим W К Ф = Сб αбr. Откуда
, (12.7)
где Сб´ = Сб r.
При данном неизменном сопротивлении цепи гальванометра величина Сб´ постоянна и может быть определена экспериментально.
На основании формулы (12.7) получаем
(12.8)
где SК – площадь среднего витка измерительной катушки, см2.
На рис. 12.2 приведена схема установки для градуировки баллистического гальванометра и измерения магнитного потока. Установка состоит из двух цепей, связанных катушкой взаимной индуктивности М.
В контуре I при разомкнутом ключе К устанавливают ток I. Затем замыкают ключ К и переключателем П коммутируют ток I. При этом произойдет изменение потокосцепления (ΔΨ = 2IМ) обмоток катушки взаимной индуктивности и в контуре II пройдет импульс тока, который вызовет баллистический отброс подвижной части гальванометра – αб´. Так как
ΔΨ = 2IМ = Сб´ αб´, то
|
|
|
(12.9)
где М – взаимная индуктивность, Гн; I – ток, А; αб´ – величина первого отброса светового указателя, дел.
Рис. 12.2. Схема установки для градуировки баллистического
гальванометра и измерения магнитного потока
Значение Сб´ определяют при нескольких токах I и из полученных значений берут среднее арифметическое.
Кнопка К1 в схеме рис. 12.2 служит для более быстрого успокоения подвижной части баллистического гальванометра.
После определения Сб´ градуировочный контур I отключают, и, разомкнув ключ К, помещают измерительную катушку с известным значением WКSК в воздушный зазор магнитной системы. Затем замыкают ключ К и вынимают катушку из зазора, отмечая при этом максимальный отброс светового указателя.
Значение измеряемой индукции В определяют по формуле (12.8).
Измерение производят несколько раз и в качестве результата берут среднеарифметическое значение. Погрешность измерения магнитного потока баллистическим гальванометром составляет примерно 1,5 ÷ 2 %;
б) применение веберметра
Веберметр, в отличие от баллистического гальванометра, обладает меньшей чувствительностью. Однако он более удобен в работе, так как не требует специальной установки и градуировки.
В веберметре используется обычный магнитоэлектрический измерительный механизм со стрелочным отсчетом, но без противодействующего момента. Устройство веберметра показано на рис. 12.3.
Бескаркасная подвижная рамка 1 укреплена на кернах. Выводы рамки через безмоментные токоприводы 2 соединены с переключателем П, ручка которого выведена на панель прибора.
Положение I переключателя П соответствует измерению. При этом обмотка рамки 1 соединена с наружными зажимами, к которым подключена измерительная катушка (ИК) с числом витков WК.
При изменении потокосцепления измеряемого потока Ф с витками ИК возникает эдс, под действием которого в цепи I пройдет импульс тока. Возникающий при этом вращающий момент отклонит подвижную часть веберметра на угол Δα = α2 – α1, где α1 и α2 – углы, соответствующие начальному и конечному положению указателя подвижной части.
|
|
|
Эдс е уравновешивается падением напряжения на сопротивлении цепи I, эдс самоиндукции и эдс е´, возникающая в рамке веберметра при отклонении его подвижной части на угол Δα. Эдс е´ при рассмотрении цепи с баллистическим гальванометром не учитывалась, так как из-за большого момента инерции подвижной части движение ее начинается после прохождения импульса тока
(12.10)
где В – индукция в воздушном зазоре магнитной системы веберметра; s и w – соответственно площадь среднего витка и число витков рамки веберметра.
Следовательно, можно записать
(12.11)
Интегрируя уравнение (12.11) за время изменения потокосцепления от t1 до t2, получаем
(12.12)
опуская знак минус и пренебрегая, ввиду малых значений r, первым членом правой части уравнения (12.12), имеем
где CB = Bsw – постоянная веберметра, Вб/дел.
Тогда измеряемый магнитный поток имеет вид:
(12.13)
Градуировка веберметра практически не зависит от сопротивления внешней цепи, если это сопротивление не превышает определенного предела, указываемого на шкале прибора, а также от скорости изменения измеряемого магнитного потока. Поэтому веберметры чаще всего имеют именованную шкалу и по отклонению показателя Δα непосредственно определяют величину потокосцепления – WKФ, а, следовательно, и магнитный поток, если известно число витков измерительной обмотки.
Веберметр практически не имеет противодействующего момента, поэтому указатель по окончании измерения может занимать любое положение на шкале. Для возвращения указателя в начальное положение используется вспомогательный магнитоэлектрический механизм. В положении II переключателя П (рис. 12.3) рамка веберметра 1 присоединяется к рамке 3 вспомогательного механизма. Рамка 3 механически скреплена с рукояткой, выведенной на панель прибора. Эдс, возникающая в рамке 3 при ее вращении, создает ток в цепи рамки 1. Возникающий при этом вращающий момент поворачивает рамку 1 на некоторый угол. Таким образом, поворачивая рукоятку, можно установить указатель прибора на любую отметку шкалы, принимаемую за начальную. Однако необходимо иметь в виду, что безмоментные токопроводы все же создают некоторый противодействующий момент и указатель веберметра может очень медленно сползать с установленной до измерения и полученной после измерения отметки шкалы. Погрешность измерения магнитных потоков веберметром обычно составляет 3÷4 %.
|
|
|
В данной работе с помощью веберметра измеряется максимальный магнитный поток Фмакс цилиндрического магнита.
Для измерения Фмакс следует разместить измерительную катушку с известным числом витков на середину цилиндрического магнита и присоединить ее концы к веберметру. Затем, удалив обмотку с магнита, определить по отклонению стрелки веберметра поток Фмакс.
|
|
|
