Измерение магнитных полей

Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительную  аппаратуру и приборы можно классифициро-вать по ряду признаков.

По  назначению: приборы для измерения напряжения - вольтметры, милливольтметры; для измерения силы тока - амперметры, миллиам-перметры, микроамперметры; для измерения электрической мощности - ваттметры; сопротивления - омметры и т. д.

По  принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, тепловые, индукционные, электронные, вибрационные, самопищущие, цифровые и т.д. Систему прибора можно определить по условным обозначениям, которые наносятся на лицевую сторону прибора.

Магнитоэлектрическая  система.

Электроизмерительные  приборы магнитоэлектрической системы  предназначены для измерения  силы тока и напряжения в цепях  постоянного тока. Применяя различные  преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно  использовать также для электрических измерений в цепях переменного тока высокой частоты и для измерения неэлектрических величин (температуры, давлений, перемещений и т.д.) Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.

Электромагнитная  система

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения  силы тока и напряжения в цепи переменного  и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной системы  основан на взаимодействии магнитного поля катушки, по которой протекает  измеряемый ток и подвижного железного  сердечника.

Электродинамическая система

Электродинамические измерительные приборы предназначены  для измерения тока, напряжения и  мощности в цепях постоянного  и переменного токов. Принцип  действия приборов электродинамической  системы основан на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток.

Тепловая  система

Принцип действия приборов тепловой системы основан  на изменении длины проводника, по которому протекает ток вследствие его нагревания.

Индукционная  система 

Устройство  приборов индукционной системы основано на взаимодействии токов, индуцируемых в подвижной части прибора  с магнитными потоками неподвижных  электромагнитов.

Вибрационная  система

Устройство  приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной  части прибора с частотой переменного  тока.

Электростатическая  система

Устройство  приборов электростатической системы  основано на взаимодействии двух или  нескольких электрически заряженных проводников. Под действием сил электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных проводников.

Термоэлектрическая  система

Эта система  характеризуется применением одной  или нескольких термопар, дающих под  влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измерительный  прибор магнитоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы, в основном, применяются для измерения  переменных токов высокой частоты.

Детекторная (выпрямительная) система

Устройство  приборов основано на том, что переменный ток выпрямляется с помощью выпрямителя, вмонтированного в прибор. Полученный пульсирующий постоянный ток измеряется с помощью чувствительного прибора  магнитоэлектрической системы.

Осциллографы

Исследование  быстропеременных процессов осуществляется с помощью осциллографов. Например, с помощью осциллографа можно  измерять силу тока и напряжение и  изменение их во времени, сдвиг фаз  между ними, сравнивать частоты и  амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф, при применении соответствующих  преобразователей, позволяет исследовать  неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д.

Цифровые  приборы

В настоящее  время получили широкое распространение  цифровые приборы. Под цифровыми  электроизмерительными приборами  понимают приборы непосредственной оценки, основанные на принципе кодирования  измеряемой величины, благодаря чему осуществляется ее дискретное представление. Эти приборы являются наиболее совершенным  видом электроизмерительных устройств. Процесс измерения в них полностью  автоматизирован, а дискретная система  отсчета исключает возможность  внесения ошибок в результат измерений.

Важнейшим достоинством цифровых приборов является наличие у них кодового выхода, что дает возможность регистрировать результат измерений с помощью  цифропечатающих устройств и  использовать эти результаты для  ввода в ЭВМ для последующей  обработки.

Разновидностью  цифровых приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых входной аналоговый сигнал в результате квантования и цифрового кодирования автоматически преобразуется в дискретную форму и выдается на выходе в виде кода. Аналого-цифровые преобразователи отличаются от цифровых приборов повышенным быстродействием и отсутствием отсчетного устройства.

Цифро-аналоговые преобразователи совершают обратное преобразование, при котором входной дискретный сигнал в результате декодирования автоматически преобразуется в аналоговую форму и выдается на выходе прибора в виде непрерывного сигнала.

Кроме того, к цифровым приборам относятся:: вольтметры постоянного и переменного тока; омметры постоянного тока и мосты  переменного тока; частотомеры и  счетчики импульсов; комбинированные  приборы, предназначенные для измерений  нескольких параметров; специализированные приборы, предназначенные для измерения  мощности, фазы, магнитного потока, магнитной  индукции, а также некоторых неэлектрических  параметров (расстояние, масса, скорость).  
 
 

2.Основные особенности конструкций и принципа

действия некоторых электроизмерительных приборов. 

Магнитоэлектрическая  система

Приборы этой системы предназначены для измерения  силы тока и напряжения в цепях  постоянного тока. Схема отклоняющего механизма показана на рисунке.                                                                                                

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы состоит из двух частей. Неподвижная часть состоит из постоянного магнита 1, его полюсных наконечников 2 и неподвижного сердечника 3. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником существует сильное магнитное поле. Подвижная часть измерительного механизма состоит из легкой рамки 4, обмотка которой навивается на алюминиевый каркас, и двух полуосей 5, неподвижно связанных с каркасом рамки. Концы обмотки припаяны к двум спиральным пружинам 6, через которые в рамку подводится измеряемый ток. К рамке прикреплены стрелка 7 и противовесы 8. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником устанавливается рамка. Ее полуоси вставляются в стеклянные или агатовые подшипники.

При прохождении  тока по обмотке рамки последняя  стремится повернуться, но ее свободному повороту противодействуют спиральные пружины. И тому углу, на который  рамка все же развернется, оказывается, соответствует определенная сила тока, который протекает по обмотке  рамки. Иными словами, угол поворота рамки пропорционален силе тока. Фиксируют  угол поворота рамки по стрелке, которая  к рамке жестко прикреплена. Так  как угол поворота стрелки пропорционален силе тока, то шкала измерительного прибора магнитоэлектрической системы  равномерная.

У амперметров  и вольтметров измерительные  механизмы в принципе одинаковы. Их отличие заключается лишь в  электрическом сопротивлении рамок. У амперметра сопротивление рамки  значительно меньше, чем у вольтметра.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются высокая чувствительность, высокая точность – до 0,1%, малое потребление мощности, низкая чувствительность к внешним магнитным полям, равномерность шкалы.

Недостатки  проявляются в сложности изготовления и ремонта, недопустимость перегрузок по току (отламываются стрелки, перегорают токоподводящие пружинки, растяжки, обмотка рамки). 

Электромагнитная  система

Неподвижная часть прибора электромагнитной системы представляет собой катушку 1, по обмотке которой протекает  ток. За счет этого в зазоре катушки  возникает магнитное поле.   В зазор втягивается якорь 2, изготовленный из мягкой стали, который составляет подвижную часть прибора. На оси якоря имеется спиральная пружина 3, противодействующая втягиванию якоря в зазор катушки. В результате сидящая на оси стрелка 4 поворачивается на определенный угол, зависящий от силы тока.

Электромагнитные  приборы менее чувствительны по сравнению с магнитоэлектрическими. Однако они не столь боятся перегрузки и надежнее в работе.

Кроме того, они пригодны для измерений в  цепях не только постоянного, но и  переменного тока. Их шкалы неравномерны.

Электродинамическая система.

У электродинамических  измерительных приборов подвижная  часть практически не отличается от подвижной части прибора магнитоэлектрической системы, т. е. у них тоже имеется  подвижная рамка. Неподвижной же частью служит не постоянный магнит, а катушка, по обмотке которой протекает ток.

Сила взаимодействия между рамкой и катушкой пропорциональна  произведению силы тока в рамке и  силы тока в катушке.

В амперметрах  и вольтметрах электродинамической  системы обе обмотки соединяются  последовательно, поэтому сила, поворачивающая подвижную рамку, пропорциональна  квадрату силы тока. В результате у  приборов данного типа шкала неравномерная.

Электродинамический прибор может служить и ваттметром, т. е. измерителем мощности. С этой целью токовая катушка включается последовательно нагрузке, и сила тока в ней равна силе тока в  цепи. Подвижная рамка через дополнительное сопротивление присоединяется параллельно  нагрузке. Следовательно, сила тока в  подвижной рамке пропорциональна  напряжению.

Так как  сила тока взаимодействия пропорциональна  произведению силы тока в рамке и  силы тока в катушке, то при таком  включении в цепь она оказывается  пропорциональной произведению силы тока на напряжение, т. е. мощности. Прибор в  данном случае служит ваттметром.

Для повышения  чувствительности прибора в неподвижную  обмотку можно ввести стальной сердечник. Прибор данного типа называется ферродинамическим. 
 

IV. Измерение магнитных полей. 

В случае простейших конфигураций (прямой ток, тороид, бесконечной  длины  соленоид) значение напряженности  магнитного поля легко находится  с помощью теоремы о циркуляции Н, в более сложных случаях (соленоид конечной длины и др.) расчет Н затруднителен. Поэтому в ряде случаев удобнее экспериментально определить В, а затем рассчитать Н. Величину магнитной индукции В можно измерить различными способами или непосредственно приборами магнитометрами. 
 
 

1.Классификация  приборов для измерения характеристик магнитного поля. 

В зависимости  от определяемой величины различают  приборы для измерения: напряжённости  поля (эрстедметры), направления поля (Инклинаторы и Деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или Флюксметры), коэрцитивной силы (Коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.