Вимірювання струмів, що грунтуються на гальваномагнітних ефектах

Такі вимірювання здійснюються за допомогою перетворювачів Холла (ПХ). Вони застосовуються для вимірювання параметрів магнітного поля, що створюється вимірюваним струмом, і використанні залежності між струмом і магнітним полем, яка визначається законом повного струму

. (7.8)

Якщо контур інтегрування не проходить через намагнічуване середовище, то можна користуватись рівнянням

. (7.9)

На практиці вимірювання струмів за допомогою ПХ зводиться до визначення магнітної індукції в скінченному числі або навіть в одній точці магнітного поля, що створюється вимірюваним струмом.

Для вимірювань великих струмів використовують прилади з немагнітним та з феромагнітним інтегруючими контурами.

Прилади з немагнітним інтегруючим контуром. Прилади з немагнітним інтегруючим контуром складаються з ряду ПХ, що оточують шину зі струмом (рис. 7.7). Для цього випадку справджується наближене рівняння

, 7.10)

де В_і – магнітна індукція в місці розташування і -го ПХ; α_і – кут між вектором магнітної індукції і віссю направленості і -го ПХ; Δ l – відстані між сусідніми ПХ.

Якщо всі ПХ мають однакову чутливість S_B, то сума їх вихідних напруг пропорційна до вимірювального струму

. (7.11)

Сумування вихідних сигналів n в ПХ дозволяє зменшити температурний дрейф сумарної залишкової напруги, а також збільшити в разів відношення корисного сигналу до шуму при дії випадкових некорельованих завад.

Прилади з немагнітним інтегруючим контуром вирізняються простотою конструкції і незначною масою. Їх виготовляють у вигляді вимірювальних кліщів для вимірювання струму без розриву струмопроводу, в тому числі у високовольтних мережах. Для зменшення похибки таких приладів слід використовувати більшу кількість ПХ. Ці прилади особливо ефективні при вимірюваннях і осцилографуванні високочастотних і імпульсних струмів, оскільки ПХ практично безінерційні.

Прилади з феромагнітним інтегруючим контуром. Використання феромагнітного інтегруючого контуру дозволяє підвищити чутливість і зменшити похибки від впливу зовнішніх магнітних полів і несиметричного розподілу вимірюваного струму. Зазвичай магнітопровід має астатичну конструкцію з парною кількістю повітряних зазорів, в яких розміщуються ПХ (рис. 7.8).

Якщо магнітопровід складається з n феромагнітних ділянок і має m зазорів, то, спираючись на закон повного струму, можемо скласти наближене рівняння

, (7.12)

де H_Feі і H_δk – відповідно середнє значення напруженості магнітного поля в і ‑ій феромагнітній ділянці і k -му зазорі; l_Feі і l_δk – відповідно довжина і -ї феромагнітної ділянки і k -го зазору.

Перемноживши всі члени на μ ₀, для випадку коли всі зазори однакові (l_δk= l_δ) і використовуються ПХ однієї чутливості S_В, отримаємо

(7.13)

З цього виразу видно, що сумарна напруга ПХ пропорційна до вимірюваного струму, якщо

В промислових приладах це співвідношення не перевищує 0,01 при струмах І ≥ 15 кА,

Похибка таких приладів в основному визначається гістерезисом та нелінійністю основної кривої намагнічування магнітопроводу і при вимірюванні струмів до 150 кА становить 0,2…0,5%. Основним недоліком є велика маса магнітопроводу і значні габарити.

7.4.2 Вимірювання струмів методом ядерного магнітного резонансу (ЯМР)

Вимірювання струмів методом ЯМР засновано на явищі магнітного резонансу і вимірюванні частоти прецесії атомних ядер в магнітному полі, що створюється вимірюваним струмом. Цей метод є одним з найточніших для вимірювання магнітної індукції однорідних постійних магнітних полів. Він забезпечує вимірювання з похибкою 0,001 % і менше.

На рис. 7.9 зображено схему цифрового кілоамперметра, побудованого з використанням методу ЯМР. Перетворювач вимірюваного струму в пропорційну йому індукцію однорідного магнітного поля являє собою циліндричну шину 1 з ексцентрично розміщеним повітряним каналом 2, в центральній частині якого встановлено давач
ЯМР 4, ввімкнений на вхід автоматичного вимірювального пристрою ЯМР 3 з цифровим відліком.

Якщо шина виготовлена з матеріалу з магнітною проникністю μ₀, то магнітне поле в повітряному каналі можна розглядати як поле, що створюється двома струмами: струмом з густиною J₁, що протікає усім перерізом шини, і з струмом з густиною – J₂, що протікає тільки перетином повітряного каналу.

Магнітну індукцію поля, що створюється струмом з густиною J₁, в деякій точці М (рис. 7.9, б) можна визначити, виходячи з рівняння

, (7.14)

звідки

, (7.15)

де r₁ – радіус-вектор, проведений з центра перетину шини в точку М. Аналогічно магнітна індукція поля, що створюється струмом з густиною – J₂, дорівнює

, (7.16)

де r₂ – радіус-вектор, проведений з центру перетину повітряного каналу в точку М.

Сумарний вектор магнітної індукції в точці М дорівнює

, (7.17)

або

(7.18)

де b – вектор, що з’єднує центри перетинів шини і повітряного каналу; D –діаметр шини; d – діаметр повітряного каналу; I – вимірюваний струм. Магнітне поле в повітряному каналі однорідне, тому магнітну індукцію при використанні методу ЯМР визначають за частотою прецесії ядер, і отже вираз, що зв’язує вимірюваний струм і частоту прецесії ядер, запишеться у вигляді

(7.19)

де γ – гіромагнітне співвідношення атомних ядер, що використовуються; f – частота прецесії атомних ядер; К – стала приладу, що залежить від геометричних розмірів шини (D, d) та фізичних констант μ₀ і γ.

Похибка вимірювання струмів за методом ЯМР в основному визначається тільки похибкою перетворення струму у магнітну індукцію. Ця похибка, в свою чергу, складається з похибки від неточного визначення розмірів перетворювача, що входять до виразу для його сталої К; похибки від нерівномірного розподілу струму по перетину перетворювача; похибки, обумовленої різницею магнітної проникності матеріалу перетворювача і повітря; температурної похибки і похибки від впливу зовнішніх магнітних полів. Основна похибка вимірювання струмів за методом ЯМР не перевищує 10^-3…10^-4 %.

Дата добавления: 2014-11-18