Методика измерения в электрических цепях

Измерение постоянного и переменного напряжения. Измерение как постоянного, так и переменного напряжения может производиться непосредственно вольтметрами, рассчитанными для работы соответствующего типа напряжения. В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольтметр, необходимо последовательно с ним включить добавочный резистор. Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на добавочный резистор, а часть — на прибор. Подбирая величину сопротивления добавочного резистора, можно в широких пределах расширять возможности измерения больших напряжений. Если известно сопротивление вольтметра R_пр и выбран коэффициент расширения пределов измерения:

n = U_X/U_пр

где U_X — максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее измерению; U_пр — максимальные пределы измерения непосредственно вольтметром.

Величина сопротивления добавочного резистора может быть найдена по следующей формуле:

R_доб= R_пр (n - 1).

Обычно для удобства производства отсчётов коэффициент п выбирают кратным 2; 5 или 10.

Для измерения высоких переменных напряжений могут быть использованы так называемые измерительные трансформаторы напряжения.

Они представляют собой понижающие трансформаторы, т. е. такие, у которых число витков вторичной обмотки W₂, ккоторой подключается вольтметр, меньше числа витков W₁ первичной обмотки. Коэффициент расширения пределов измерения п = W₁/W₂. Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения приведены на рис. 9.8.

Рисунок 9.8 – Схемы измерения напряжения

Измерение электродвижущей силы (э.д.с.) Е имеет свои особенности. При подключении вольтметра к источнику э.д.с. для её измерения через него всегда будет проходить ток, а так как любой источник э.д.с. обладает внутренним сопротивлением R_вн, то напряжение на таком источнике

U=Е-I·R_вн

и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем эдс Е.

Если нет требований к высокой точности измерения эдс, то для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с большим внутренним сопротивлением, например электронным. В этом случае можно считать, что измеренное напряжение U ≈ Е. Более точные методы измерения эдс связаны с использованием компенсационных схем (рис. 9.9). В них напряжение, измеряемое вольтметром PV, снимаемое с переменного резистора R, сравнивается с напряжением на источнике эдс. Изменяя напряжение на выходе переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока через источник эдс. В этом случае показания вольтметра будут точно соответствовать величине эдс источника, т.е. U= Е.

Рисунок 9.9 – Схемы измерения эдс

Измерение тока можно производить непосредственно амперметром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 9.10, а). При необходимости расширить пределы измерения амперметра необходимо параллельно амперметру включить резистор (рис. 9.10, б), который чаще всего называют просто шунтом. Тогда через амперметр будет проходить только часть тока, а остальная — через шунт. Так как сопротивление амперметров обычно небольшое, то для существенного расширения пределов измерения сопротивление шунта должно быть очень небольшим. Обычно это доли ома. Существуют формулы для расчёта сопротивления шунта, но обычно на практике приходится вручную, подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным амперметром.

Рисунок 9.10 – Схемы измерения силы тока

Для измерения больших переменных токов часто используют измерительные трансформаторы токов (рис. 9.10, в). У них первичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет, число витков W₁ меньшее, чем число витков W₂ вторичной обмотки, т.е. трансформатор является повышающим по напряжению, но по току он понижающий. Амперметр подключается к выходу вторичной обмотки трансформатора тока. Часто лабораторные трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее первичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отверстие, через которое сам экспериментатор наматывает необходимое число витков (рис. 9.10, г). Зная число витков вторичной обмотки (оно обычно указано на корпусе трансформатора тока), можно выбрать коэффициент трансформации п = W₁/W₂ и определить измеряемый ток I_Х по показаниям амперметра I_пр по следующей формуле:

I_x= I_пр/n

Совершенно по-иному производят измерение токов в электронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печатных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически невозможно. Обычно для измерения токов в этих случаях используют вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопротивлением для устранения влияния прибора на работу электронной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины которых либо известны, либо могут быть предварительно измерены. Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока:

I = U/R.

Измерение сопротивлений. Часто при работе с электрическими установками или при наладке электронных схем необходимо производить измерение различных сопротивлений. Простейший способ измерения сопротивлений заключается в использовании двух измерительных приборов: амперметра и вольтметра. С их помощью измеряют напряжение и ток в сопротивлении R, подключенном к источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого сопротивления:

R= U/I

Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет получить результаты измерения с высокой точностью, так как на результаты измерения оказывают влияние собственные внутренние сопротивления амперметра и вольтметра. Так, на приведенной на рис. 9.11, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходящий через сопротивление, но и ток, проходящий через вольтметр, чем вносится методическая погрешность измерений. Этим способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет специальных приборов — омметров.

Рисунок 9.11 – Схема для измерений сопротивлений методом амперметра и вольтметра (а) и схема омметра (б)

Одна из возможных схем омметра (рис. 9.11, б ) — последовательная, она состоит из автономного источника питания Е, переменного резистора R и миллиамперметра магнитоэлектрического типа РА. В качестве источника питания обычно используются сухие элементы или батареи напряжением 1,4...4,5 В. Если к выводам прибора подключить сопротивление R_x,величину которого необходимо определить, то по цепи пойдёт ток, величина которого будет зависеть от величины сопротивления. Так как миллиамперметр измеряет этот ток, то его шкала может быть непосредственно отградуирована в омах. Шкала у такого омметра обратная, т. е. нуль находится в правой части шкалы, так как при сопротивлении на входе, равном нулю (режим короткого замыкания), через амперметр будет протекать максимальный ток. Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бесконечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиамперметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит знак ∞. Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов. Переменный резистор омметра служит для установки прибора на нуль перед началом работы с ним. Для этого замыкают выводы омметра накоротко и, вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых показаний прибора. Так как эдс элемента питания с течением времени за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо периодически контролировать. С помощью подобных омметров можно измерять сопротивления от единиц Ом до нескольких сотен кОм.

Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно производится с помощью мегомметров (рис. 9.12, а). В своем классическом виде он представляет собой комбинацию автономного источника питания и измерительного прибора — логометра. Логометр — разновидность магнитоэлектрического прибора, у которого вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между собой под некоторым углом. Так же, как и в обычном магнитоэлектрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и находятся они в магнитном поле постоянного магнита. При пропускании тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты противоположных знаков, в результате чего положение стрелки будет зависеть от отношения токов в рамках. В цепь одной из рамок включен резистор R, а в цепь второй — сопротивление R_x, величина которого должна быть определена. Применение логометра объясняется тем, что его показания определяются только отношением токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения U_пит. В качестве источника напряжения для мегомметра используют либо индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напряжения. Такая система питания определяется тем, что для работы прибора требуются большие напряжения — порядка 500 В, так как при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слишком малыми для его нормальной работы. Использование автономного источника питания диктуется тем, что мегомметром часто измеряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно, напряжение в них бывает отключенным. Кроме того, с его помощью часто проводят измерения вне помещений, где нет электрической сети.

Рисунок 9.12 – Схемы мегомметра (а) и электрического моста (б)

Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ома), а также измерения других сопротивлений в широком диапазоне значений с высокой точностью могут проводиться с помощью электрических мостов. Электрический мост (рис. 9.12, б) представляет собой четыре сопротивления (одно из них — R_x подлежит измерению), включённые по кольцевой схеме. Каждое из сопротивлений образует плечо моста. В одну диагональ моста подают постоянное напряжение питания U_пит, а к другой подключают измерительный прибор — гальванометр Р. Он представляет собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с нулем посередине шкалы. Его назначение — фиксировать момент, когда ток будет отсутствовать. Приборы подобного типа часто называются нуль-индикаторами. Одно или два сопротивления в плечах моста делаются переменными, и именно ими добиваются нулевых показаний прибора. Мост при этом считается сбалансированным. Как показывает теория электрических мостов, условие баланса достигается при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч, т. е. при условии:

R₁ R_x = R₂ R₃

Следовательно, после балансировки моста можно, зная величины всех сопротивлений, определить значение неизвестного сопротивления

или

где N = R₂/R₁ — множитель.

Точность измерения с помощью мостов постоянного тока может быть очень велика. Результирующие значения сопротивлений могут иметь более пяти значащих цифр. В то же время мост не позволяет оперативно производить измерения, так как процесс балансировки требует определенного времени и навыка оператора.

Измерение ёмкостей. Определение ёмкости конденсатора или других устройств ёмкостного характера так же может осуществляться различными способами. Простейший из них — метод амперметра — вольтметра (рис. 9.13, а). Он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивлений, с той только разницей, что схема питается переменным синусоидальным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети). Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следующей формуле:

где f — частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показаниям приборов

x_c=U/I.

Измерение малых по величине ёмкостей удобнее производить методом резонанса (рис. 9.13, б). Измеряемый конденсатор С_х подключается к известной индуктивности L,образуя колебательный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от генератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряжение на контуре. При резонансе оно достигает максимума. Известно, что резонансная частота контура может быть выражена следующей формулой:

Следовательно, при известной величине индуктивности в контуре и определенной по максимальным показаниям вольтметра частоте резонанса можно найти искомое значение ёмкости С_х.

Измерение больших ёмкостей (например, электролитических конденсаторов) проще всего производить путём разряда конденсатора на известное сопротивление R. Известно, что за время, равное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напряжение уменьшается в е раз, где е = 2,71... — основание натурального логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора на резистор определяется соотношением

τ = RC.

Рисунок 9.13 – Схемы измерения ёмкости

Схема измерения ёмкости этим методом (рис. 9.13, в) состоит из источника постоянного напряжения питания, известного по величине сопротивления резистора R, электронного вольтметра PV, переключателя S и клемм для подключения конденсатора. С помощью переключателя S конденсатор С_х заряжается до напряжения источника питания, а после переключения конденсатора на разряд с помощью секундомера измеряют время t, по истечении которого конденсатор разрядится до напряжения U_пит/е. Емкость конденсатора определяется по формуле

C=t/R,

Ёмкости конденсаторов можно измерять также с помощью мостов переменного тока.

Измерение индуктивностей несколько сложнее. Это связано с тем, что любая катушка, обмотка трансформатора и т. п. имеет кроме индуктивности еще ирезистивное сопротивление. Поэтому во многих случаях измеряют предварительно полное сопротивление катушки индуктивности:

Оно может быть определено методом амперметра и вольтметра путём измерения напряжения и тока измерительными приборами схемы на переменном напряжении (рис. 9.14, a) z = U/I. При подаче на схему постоянного напряжения (рис. 9.14, б),как уже рассматривалось выше, можно определить резистивное сопротивление катушки R. Тогда

В свою очередь индуктивное сопротивление

x_L=2πfL

При известном значении частоты f напряжения питания легко найти величину искомого значения индуктивности

При малых значениях индуктивности (например, контурных катушек радиоэлектронных устройств) можно воспользоваться резонансной схемой, аналогичной схеме определения ёмкости резонансным методом.

Рисунок 9.14 – Схемы измерения индуктивностей

Для измерения индуктивности можно использовать также мосты переменного тока, специальные измерительные приборы-куметры, позволяющие определять не только величину индуктивности, но и такую характеристику, как добротность катушки, и характеризующие качество работы катушки в электронных схемах.

Измерение мощности в электрических цепях удобнее рассматривать отдельно для цепей постоянного и переменного тока.

На постоянном токе основные формулы для определения мощности следующие:

P=U/I

P=U²/ R;

Р = RI².

В соответствии с приведенными формулами мощность в каком-то сопротивлении нагрузки R можно измерить тремя способами: с помощью вольтметра и амперметра (рис. 9.15, а),только вольтметром (рис. 9.15,б)и только амперметром (рис. 9.15, в).Во всех случаях после снятия показаний с приборов необходимо провести математические расчёты для определения собственно мощности.

Этого можно избежать, если для измерения мощности воспользоваться специальным прибором ваттметром (рис. 9.15, г). Как правило, выпускаемые промышленностью ваттметры изготавливаются на базе ферродинамического прибора (рис. 9.16). У ваттметров имеются две обмотки и соответственно четыре вывода. Одна из обмоток является токовой, через нее проходит ток к нагрузке, расходуемая мощность в которой подлежит измерению, а вторая — обмоткой напряжения. Она подключается непосредственно к источнику питания.

Измерение мощности на переменном токе имеет свои особенности. Во-первых, здесь существуют три различные мощности:

полная мощность

S= UI;

активная мощность

Р= UIcosφ;

реактивная мощность

Q= UIsinφ.

В этих формулах φ — угол сдвига по фазе между током и напряжением.

Рисунок 9.15 –Схемы измерения мощности в цепях постоянного тока

Чаше всего интересуются полной и активной мощностями. Знание полной мощности необходимо для расчёта токов в нагрузке, выбора сечения проводов и предохранителей. Активная мощность важна потому, что именно она характеризует ту мощность, которая в нагрузке преобразуется в тепло, свет, звук и т.д.

Измерение полной мощности обычно производят, измеряя напряжение и ток вольтметром и амперметром и перемножая полученные значения. Активная мощность чаще всего измеряется с помощью ферродинамических ваттметров, которые кроме напряжения и тока учитывают и так называемый коэффициент мощности cos φ. При подключении обмоток ваттметра к нагрузке, так же как и при постоянном напряжении, ваттметр непосредственно произведёт измерение активной мощности.

На переменном токе достаточно часто приходится решать задачу измерения активной мощности в трехфазных цепях. Трехфазные цепи могут быть двух типов: трехпроводные и четырехпроводные. В трехпроводных цепях к нагрузке подходят три провода, обозначаемые буквами А, В, С. Для измерения активной мощности в такой цепи при любом варианте подключения элементов нагрузки к проводам достаточно подключить только два ваттметра так, как это показано на рис. 9.16. При этом необходимо соблюсти определенные правила подключения ваттметров. Выводы обмоток ваттметра, обозначенные на его корпусе звездочками, должны быть обращены в сторону источника энергии. Поэтому эти выводы получили название генераторные (подключаются к проводам, идущим от генератора). Суммарная активная мощность такой трехфазной системы находится как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров. При этом возможен вариант, когда показания одного из ваттметров могут быть отрицательными, т.е. его стрелка уйдет влево. Для снятия показаний с такого ваттметра необходимо поменять местами провода, подходящие к любой из обмоток, прочесть результат измерения, но в формулу подставить с отрицательным знаком.

Измерение активной мощности в четырехпроводных цепях требует использования трех ваттметров. Один из выводов каждого ваттметра здесь подключается к четвертому проводу, обычно называемому нулевым. Показания всех ваттметров здесь могут быть только положительными, и суммарная активная мощность, потребляемая трехфазной цепью, будет равна сумме мощностей, измеряемых каждым из ваттметров:

P_Σ = P₁ + Р₂ + Р₃

Один из наиболее простых методов измерения количества электричества — метод измерения с помощью так называемого баллистического гальванометра. Он представляет собой прибор магнитоэлектрической системы (см. рис. 9.2) с умышленно утяжеленной подвижной частью (с большим моментом инерции). Если на вход такого баллистического гальванометра подать кратковременный импульс напряжения, то подвижная часть прибора, получив как бы импульсный вращающий момент, начнет движение, причем уже после окончания входного импульса это движение еще будет продолжаться и стрелка прибора, двигаясь по инерции, отклонится до какого-то значения шкалы, а затем возвратится в исходное нулевое положение. В качестве отсчета на таком приборе необходимо отметить то максимальное отклонение стрелки α_max от нулевого значения, которое наблюдалось во время ее движения по «баллистической траектории». Теория такого баллистического гальванометра показывает, что этот отсчет по максимальному отклонению стрелки оказывается пропорциональным количеству электричества, прошедшего через рамку такого прибора, т.е.

где С_б — баллистическая постоянная, зависящая от конструктивных особенностей гальванометра.

Измерение количества электричества Q на обкладках предварительно заряженного конденсатора можно осуществить, разрядив его через баллистический гальванометр, и по максимальному отклонению его стрелки найти искомое значение количества электричества:

Q = С_б α_max

При разработке новых сплавов, предназначенных для использования в электротехнических цепях, возникает необходимость в определении их удельного сопротивления. Под удельным сопротивлением понимают сопротивление проводника сечением 1 мм² и длиной 1 м. Соответственно такое удельное сопротивление р измеряется в единицах Ом (мм²/м). Для его измерения выбирают отрезок проводника, желательно небольшого сечения, и измеряют его сопротивление любым из рассмотренных выше методов. После этого расчетным путем приводят величину этого сопротивления к сечению 1 мм² и длине 1 м, что не представляет каких либо трудностей, и получают значение удельного сопротивления для получения большей точности измерения желательно длин; проводника брать по возможности большей.

Рисунок 9.16 – Схемы измерения мощности на переменном токе:

а –трехпроводная система; б – четырёхпроводная система

Для многих изоляционных материалов представляет определённую ценность определение их диэлектрической проницаемости ε. Одним из простейших способов ее измерения является способ косвенного измерения с последующим расчетом величины диэлектрической проницаемости. Известно, что емкость простейшего конденсатора, состоящего из двух одинаковых пластин площадью S, расположенных на расстоянии δ друг от друга, с диэлектриком, заполняющим всё пространство между пластинами, определяется по формуле

где ε — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.

Измерение диэлектрической проницаемости материала производят с помощью конденсатора (рис. 9.17), между пластинами которого помешают испытуемый материал, а также измерения емкости такого элементарного конденсатора любым из описанных выше методов. Численную величину диэлектрической проницаемости определяют по формуле

ε=С_б/S.

Развитие радиоэлектроники и установок для высокочастотного воздействия на материалы машиностроения привело к тому, что, практически все пространство заполнено электромагнитными волнами.

В мире работают миллионы передающих радиостанций, многие из которых излучают значительные мощности (например, радиолокационные станции дальнего обнаружения, вещательные радиостанции и т.п.). Для оценки электромагнитных волн часто возникает необходимость определения их уровня. Обычно об уровне электромагнитных волн судят по напряженности электрического поля, величина которого аналитически может быть пересчитана в мощность электромагнитного поля. Напряженность электрического поля наиболее часто измеряют с помощью рамочной антенны (рис. 9.18), которая представляет собой плоскую катушку, намотанную на каркас из какого-либо диэлектрика. (На рисунке для простоты изображен только один виток.)

Рисунок 9.17 – схема для измерения диэлектрической постоянной изоляционных материалов

Рисунок 9.18 – Измерение напряженности электрического поля

Диаграмма направленности такой антенны показывает, что максимум принимаемого излучения идет со стороны, лежащей в плоскости витков катушки. Это позволяет не только производить измерение напряженности электрического поля, но и определять направление на источник высокочастотных излучении по максимальной величине напряжения на выходе рамки при ее поворотах относительно вертикальной оси. Напряженность электрического поля определяется по величине напряжения на выходе рамки по следующей формуле, В/м:

де U— напряжение на выходе рамки, В;f— частота принимаемого сигнала, Гц; п — число витков в рамке; S— площадь рамки, м².

Обычно на геометрические размеры рамки в зависимости от частоты сигнала, напряженность поля которого определяется, накладываются определенные ограничения. В частности, на частотах более 30 МГц более точные результаты получаются, если вместо рамочной антенны использовать полуволновый диполь, представляющий собой проводник длиной в половину длины волны, разрезанный посередине. Напряжение с диполя снимается с центральной разрезанной части. Значение напряженности электрического поля можно определить по следующей формуле:

где f — частота, Гц; U— напряжение на выходе диполя, В.

Диполь, так же как и рамка, позволяет определять направление, с которого приходит сигнал, так как обладает определенной направленностью, что видно из диаграммы направленности. Максимум принимаемых сигналов определяется перпендикуляром к плоскости диполя. Именно так ориентированы телевизионные антенны по отношению к телевизионной вышке.

Напряжение на выходе рамки или диполя можно измерять с помощью электронного вольтметра непосредственно при сильных сигналах или применяя электронные усилители. В этом случае, используя селективные свойства усилителей, можно определить уровень напряженности электрического поля определенной частоты. Нужно учесть, что уровень сигнала на выходе рамки и частично диполя складывается из большого числа электромагнитных полей, существующих в пространстве в районе расположения приемного устройства от различных источников (передатчиков).

При необходимости определить частоту высокочастотного сигнала можно, если он сильный, используя непосредственное включение электронного частотомера на выход рамки или диполя. При слабых сигналах и использовании усилителей можно по их частотной настройке определять частоты сигналов, наведенные в рамке или диполе, т.е, так, как обычно по шкале радиоприемника можно определить длину волны или частоту принимаемой станции.

9.3. Методика измерения магнитных величин

Измерение магнитных величин в практике встречается реже, чем измерение электрических. К чисто магнитным величинам, с которыми приходится сталкиваться при разработке различных, в первую очередь электротехнических, изделий обычно относятся магнитная индукция В, магнитный поток Ф и напряженность магнитного поля Н_т. Все эти величины связаны друг с другом функциональными зависимостями. Для вакуума и практически для воздуха соотношения между ними следующие:

где μ₀, = 4π 10^-7 Гн/м — магнитная постоянная; s — сечение (магнитопровода), через которое проходит магнитный поток,

Из-за функциональной связи магнитных величин достаточно экспериментально определить одну из них, а остальные могут быть определены расчетным способом. Существует большое число методов их измерения и различных, в большинстве случаев достаточно сложных, приборов для этих целей. Практически все они предварительно преобразовывают магнитные величины в электрические, а затем с помощью электрических приборов осуществляется их измерение.

Простейший прибор для измерения магнитной индукции — тесламетр (рис. 9.19) представляет собой измерительную катушку, намотанную на рамке из немагнитного материала 7, укрепленную на валу электродвигателя 3, который вращает катушку со строго постоянной частотой.

Известно, что если через вращающуюся катушку проходит магнитный поток, то в ней наводится эдс, тем большая, чем больше этот магнитный поток. (На этом принципе работают практически все электрогенераторы.) Следовательно, по величине эдс в катушке можно судить о величине магнитной индукции В.

Рисунок 9.19 – Схема прибора для измерения магнитной индукции:

1 – рамка из немагнитного материала; 2 – контактные кольца; 3 – вал электродвигателя; 4 – выпрямитель

Для ее измерения на оси вала двигателя устанавливают контактные кольца 2. С помощью неподвижных щеток переменное напряжение с катушки поступает на выпрямитель 4, а с его выхода — на измерительный прибор, чаще всего магнитоэлектрической системы. Этот прибор может быть непосредственно отградуирован в величинах магнитной индукции. Диаметры измерительных катушек обычно лежат в пределах 1,5...25 мм. Катушки малого диаметра могут помещаться в довольно узкие воздушные зазоры магнитопроводов. При достаточной простоте рассмотренного прибора он имеет один крупный недостаток — наличие подвижных частей. Этого недостатка лишен прибор для измерения магнитной индукции, использующий эффект Холла.

Для того чтобы понять принцип работы такого прибора, неободимо рассмотреть физику самого эффекта Холла (рис. 9.20, а). Если взять пластину, изготовленную из полупроводника типа п, т.е. с электронной проводимостью) и к граням а и b приложить постоянное напряжение, то в цепи за счёт движения свободных электронов полупроводника возникнет ток I. Если при этом через плоскость полупроводниковой пластины проходит магнитный поток, то он будет стремиться сдвинуть поток электронов в одну из сторон (с или d в зависимости от знака магнитного потока), что приведет к появлению эдс между гранями с и d. Величина этой эдс связана с магнитной индукцией В следующим соотношением:

где R_x— постоянная Холла, зависящая от материала полупроводника; I— ток в цепи между гранями а и b; В— магнитная индукция; h — толщина полупроводниковой пластины.

-

Рисунок 9.20 – Эффект Холла (а) и измеритель магнитной индукции, основанный на эффекте Холла:

1 – датчик Холла; 2 – магнитоэлектрический индикатор; 3 – выпрямитель; 4 – усилитель переменного напряжения; - 5 – источник переменного напряжения питания

Если к пластине приложить переменное напряжение, то и на других гранях также появится переменная эдс, так как из-за изменения направления тока в пластине поток электронов в ней будет отклоняться в разные стороны.

Упрощенная схема прибора на эффекте Холла приведена на рис. 9.20, б. Она включает источник переменного напряжения питания 5 (чаще всего частотой порядка 1000 Гц), датчик Холла 1 усилитель переменного напряжения 4 выпрямитель 3 и магнитоэлектрический индикатор 2. Так как толщина полупроводниковой пластины обычно не превышает 1 мм, то с помощью такого прибора можно определять магнитную индукцию в очень узких зазорах электрических машин.

При разработке новых электротехнических изделий, таких как электрические машины, трансформаторы, электромагнитные реле, бывает необходимо определить основные характеристики ферромагнитных материалов, используемых в этих изделиях. Аналогичные задачи возникают и при создании новых сплавов ферромагнитных материалов с новыми свойствами и более качественными характеристиками. Определение таких характеристик представляет собой непростой процесс, требующий подчас сложной и дорогостоящей аппаратуры. Наиболее доступный метод определения особо важной характеристики ферромагнитных материалов, которые используются в переменных магнитных полях, — основная кривая индукции. Для ее определения необходимо изготовить из материала, подлежащего исследованию, тороидальное кольцо и намотать на нем две обмотки. Одна из них — первичная — служит для создания магнитного потока в сердечнике в виде кольца (рис. 9.21). Если измерить ток I в этой обмотке и знать число витков в ней W₁ то можно определить значение амплитуды напряженности магнитного поля по формуле

где I— действующее значение переменного синусоидального тока в первичной обмотке; l _ср— средняя длина магнитной линии магнитопровода.

Рисунок 9.21 – Схема для снятия динамической кривой намагничивания

Для получения более точных результатов первичная обмотка наматывается равномерно по всей длине тороидального магнитопровода. Вторичная обмотка с числом витков W₂ располагается компактно на любом участке магнгитопровода. Измерение напряжения на этой обмотке U₂ дает возможность определить максимальное амплитудное значение магнитной индукции в тороидальном сердечнике:

где U_2ср— среднее значение напряжения на вторичной обмотке; f— частота переменного напряжения; W₂ — число витков вторичной обмотки; S— сечение тороидального магнитолровода.

Схема для снятия описанной выше динамической кривой намагничивания приведена на рис. 9.21. В ней предусмотрен источник синусоидального напряжения, автотрансформатор для регулирования тока в первичной обмотке, тороидальный сердечник с двумя обмотками и два измерительных прибора: амперметр и вольтметр. Последние должны быть выбраны из тех соображений, чтобы амперметр измерял так называемое действующее значение силы тока, а вольтметр — среднее значение переменного напряжения. Так как в схеме используются только два прибора, то сам метод получил название метода амперметра и вольтметра. Частота генератора переменного напряжения выбирается примерно такой же, какая будет использоваться в изделиях из испытуемого материала. Если оно будет работать на промышленной частоте, то в качестве источника питания обычно используется промышленная (городская) сеть частотой в 50 Гц.

Процесс снятия характеристики заключается в последовательном увеличения тока в первичной обмотке и записи показаний амперметра и вольтметра. После пересчета этих значений в величины напряженности магнитного поля и магнитной индукции строят соответствующую зависимость В_т =f (H_m), вид которой приведен на рис. 9.22. Полученные значения позволяют также определить абсолютное значение амплитудной магнитной проницаемости

При необходимости аналогично можно построить используемую при различных расчетах зависимость m_m =f(H_m).

Рисунок 9.22 – Динамическая кривая намагниченности

Довольно часто при расчетах интересуются относительной магнитной проницаемостью, показывающей, во сколько раз магнитная проницаемость данного материала больше магнитной проницаемости вакуума:

Исследование магнитных материалов иногда требует проведения измерений и других параметров, но они, в большинстве случаев, сложны, применяются только в специальных лабораториях с уникальной аппаратурой, создаваемой подчас в единичных экземплярах и потому описание этих методов можно найти чаще всего в литературе преимущественно физического профиля.

Дата добавления: 2015-07-02