книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Реальные катушки индуктивности однозначно трудно представить какой-либо одной схемой замещения, поскольку сопротивление потерь содержит как параллельную, так и последовательную составляющие. Кроме того, в реальных катушках имеется собственная емкость, а свой­ ства материала сердечника зависят от частоты.

Обычно в катушках индуктивности без ферромагнитного сердечника преобладают потери в об!мотке, и эквивалентное активное сопротив­ ление можно представить включенным последовательно с индуктив­ ностью, а у катушек с ферромагнитным сердечником основная состав­ ляющая потерь приходится на потери в сердечнике; тогда более реальна параллельная эквивалентная схема.

Собственную емкость катушек следует рассматривать включенной параллельно индуктивности. Ее влияние сказывается на результате измерения в виде завышенных значений последней. Кажущаяся ин­ дуктивность катушки возрастает по мере приближения частоты напря­ жения питания измерительной схемы вплоть до резонансной частоты катушки, а после того, как частота питающего напряжения превысит резонансную, частоту катушки, ее реактивное сопротивление изменит свой характер на емкостный.

Во многих случаях собственная емкость обмоток трансформаторов, дросселей со стальными сердечниками начинает сказываться на срав­ нительно низких частотах и может вызывать значительные погрешно­ сти измерения индуктивности. Поэтому измерения индуктивности та­ ких объектов следует проводить либо на рабочих частотах, либо на возможно более низкой частоте.

Если переменный ток, протекающий через обмотку со стальным сер­ дечником, приводит к существенному изменению его магнитной про­ ницаемости, то вследствие изменения индуктивности обмотки возни­ кает искажение формы напряжения. Это в свою очередь вызывает до­ полнительные погрешности измерения.

В ряде случаев характер комплексного сопротивления (индуктив­ ный или емкостный) заранее неизвестен или даже меняется при изме­ нении частоты; поэтому может возникать необходимость, чтобы изме­ рительное устройство позволяло определять характер комплексного сопротивления.

Диапазоны измерения параметров комплексного сопротивления могут быть весьма широки. Так, значения измеряемых емкостей за­ ключены в пределах от тысячных долей пикофарада до десятков тысяч микрофарад, а индуктивностей — От тысячных долей микрогенри до тысячи генри. Диапазон измеряемых добротностей <2 составляет 0,01 ...

15.2. Измерение емкости и угла потерь

Для измерений емкости конденсаторов могут быть использованы приборы непосредственной оценки — ф а р а д м е т р ы . Следует, однако, отметить сравнительно низкую точность этих приборов, зави­ симость показаний от частоты, ограниченный диапазон измерений.

точки резонанса, особенно при наличии в цепи значительного актив­ ного сопротивления; Поэтому резонансный метод дает хорошие ре­

измерений мосты переменного тока (см. п. 9.2).

Простейшим способом измерения взаимной индуктивности Мх является измерение баллистическим гальванометром количества элек­ тричества, проходящего во вторичной цепи при изменении направления тока в первичной (рис. 15.4, а):

чества, измеряемое баллистическим гальванометром Б Г ; а — откло­ нение указателя баллистического гальванометра; 5<э — чувствитель­ ность баллистического гальванометра по количеству электричества.

Если требуется определить взаимную индуктивность катушки при рабочем токе в ее обмотке, можно измерять э.д. с. е2, индуктируемую во вторичной цепи током / х первичной обмотки (рис. 15.4, б). При этом желательно пользоваться вольтметром с малым потреблением тока или компенсатором. Значение взаимной индуктивности

где е2 — действующее значение э.д.с. вторичной обмотки.

Описанные методы не могут обеспечить высокой точности измере­ ния взаимной индуктивности, так как результат измерения определя­ ется по показаниям приборов непосредственной оценки.

В принципе для измерения взаимной индуктивности можно поль­ зоваться любым методом измерения индуктивности, измеряя индуктив­ ность последовательно соединенных катушек при встречном и соглас­ ном включениях.

Полная индуктивность наблюдается при последовательном соглас­ ном включении обмоток катушки:

^ + 1.2 + 2 ^ , а при последовательном встречном включении

Взаимная индуктивность обмоток

Мя

Ь' — 1?

4

15.4. Преобразование параметров комплексного сопротивления в напряжение

В последнее время широкое распространение получили измерите­ ли параметров электрических цепей, основанные на преобразовании составляющих комплексных сопротивлений в пропорциональные им на­ пряжения и последующем их измерении известными способами. Такие измерители С, /,, /? по своим метрологическим характеристикам не­ значительно уступают мостам переменного тока, обладают широкими функциональными возможностями, большим быстродействием и удоб­ ством в эксплуатации. Последнее качество особенно важно при решении задач производственного контроля и научных исследований, так как практика показывает, что измерение комплексного сопротивления со средней добротностью мостом с ручным уравновешиванием класса 0,5 требует многократных поочередных регулировок переменных па­ раметров и длительность его достигает 10 с.

Быстродействие, реализуемое в лучших образцах автоматических цифровых мостов переменного тока такого же класса точности, состав­ ляет приблизительно 0,25 с, однако прибор при этом представляет со­ бой сложное и дорогостоящее устройство.

Преобразование составляющих комплексного сопротивления в на­ пряжения связано с необходимостью обеспечения высокой точности, линейности, однозначной зависимости, а также ряда других требований и поэтому стало технически целесообразным лишь на базе достижений современной микроэлектроники. Для создания подобных преобразова­ телей используются операционные усилители, которые обладают, как уже отмечалось (см. п. 7.4), рядом положительных свойств (большое значение коэффициента усиления в разомкнутом состоянии; большое входное и малое выходное сопротивления; широкий частотный диапа­ зон и др.).

В полной мере положительные свойства операционных усилителей проявляются при охвате их глубокими отрицательными обратными связями. На рис. 15.5 представлена схема операционного усилителя с параллельной отрицательной обратной связью (см. табл. 7.1), на вход которого включено сопротивление 2Х, а в цепи обратной связи — сопротивле­ ние 20.с.

Если принять, что коэффициент уси­ ления операционного усилителя доста­ точно велик, то током / в его входной

лю. Следовательно, ток, протекающий через сопротивление, подклю­ ченное ко входу операционного усилителя, будет равен току, проте­ кающему через сопротивление обратной связи, т. е.

сто активным, а второе — комплексным емкостного или индуктивного

Таблица 15.1

б я

1 т ^сЬ л

1

характера, можно реализовать ряд вариантов преобразователя в зави­ симости от принятой схемы замещения и места включения объекта из­ мерения — в прямую цепь или цепь обратной связи.

Наиболее распространенные схемы, позволяющие по синфазной и квадратурной составляющим выходного напряжения оценивать ак­ тивную и реактивную составляющие измеряемого комплексного со­

При постоянных значениях напряжения питания 0 , частоты со и об­ разцовом сопротивлении # синфазная с напряжением питания состав­ ляющая выходного напряжения пропорциональна активной составляю­ щей комплексного сопротивления, а квадратурная — реактивной (ин­ дуктивности).

Схема 1 позволяет обеспечить линейность отсчета активной состав­ ляющей комплексного сопротивления и реактивной ее составляющей (или индуктивности). При подобном включении в цепь обратной связи активно-емкостного сопротивления с последовательной схемой заме­ щения (схема 2) также обеспечивается линейность функции преобразо­ вания активного и реактивного сопротивлений, но значения емкости обратно пропорциональны соответствующей составляющей выходного напряжения. Линейная зависимость С/вых от активной и реактивной проводимостей может быть получена в.случае включения исследуемого объекта, представленного параллельной схемой замещения, во вход­ ную цепь операционного усилителя (схемы 3 и 4). При этом обеспечи­ вается и линейное преобразование емкости.

Использование схем 5...8 для определения составляющих комплекс­ ного сопротивления требует выполнения дополнительных расчетных операций, поскольку каждая из составляющих комплексного сопро­ тивления оказывается одновременно связанной с обеими составляю­ щими выходного напряжения. Следует, однако, отметить, что в послед­ нее время в измерителях параметров комплексного сопротивления: начинают широко применяться средства микропроцессорной техники;; поэтому необходимость осуществления тех или иных расчетных опе­ раций не является препятствием к использованию приведенных схем-. Кроме того, включение микропроцессора в состав измерителя пара­ метров комплексного сопротивления позволяет значительно расши­ рить его функциональные возможности за счет передачи микропроцес­ сору функций автоматического управления работой измерителя, коррекции погрешностей, сокращения числа образцовых мер, организа­ ции самоконтроля и получения отсчета любых требуемых параметров комплексного сопротивления.

Часть третья

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

Г л а в а 16. МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И МЕРЫ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

16.1. Общие сведения

Практически все современные электроэнергетические и электро­ механические аппараты, значительное число устроЗств автоматики, измерительной и вычислительной техники построены на основе, исполь­ зования электромагнитных явлений и на применении магнитных ма­ териалов. Поэтому измерения параметров магнитных полей, а также исследования магнитных свойств материалов занимают значительное место.в измерительной технике.

1Область электроизмерительной техники, которая занимается из­ мерением величин, характеризующих магнитное поле, магнитные це­ пи, а также магнитные свойства веществ и материалов, называют маг­ нитными измерениями.

Магнитное поле в общем случае порождается движением электри­ ческих зарядов (токами) и характеризуется напряженностью, которая не зависит от свойств среды, а определяется лишь геометрическими размерами контура и значением тока в нем и может быть вычислена на основе закона Био—Савара—Лапласа. Например, напряженность маг­ нитного поля в центре кругового контура радиусом Я с током I равна

Специального названия единица напряженности магнитного поля не имеет, ее размерность ампер на метр (А/м).

Контуры с током, а также намагниченные тела, создающие маг­ нитное поле, характеризуются также магнитным моментом М, кото­ рый определяет интенсивность источника магнитного поля.

Магнитный момент контура площади 5, по которому протекает ток /, равен

м=7з,

а для многовитковой катушки

где Ки>з <=гю8 — постоянная катушки; до — количество витков. Магнитный момент намагниченного тела равен сумме магнитных

моментов М с микроскопических контуров с током:

М= % М С.

«^ I

Намагниченность образца 3 определяется отношением магнитного момента к объему образца V

Намагниченность связана с напряженностью посредством коэффи­ циента и, носящего название магнитной восприимчивости:

7 =хя.

Порождаясь электрическим током, магнитное поле проявляется также в форме силового воздействия на движущиеся электрические заряды.

Основной характеристикой силового взаимодействия магнитного

■—►

поля с током является магнитная индукция В. Единица магнитной индукции — тесла (Тл). Это индукция такого однородного магнит­ ного поля, в котором на каждый метр линейного проводника с током в один ампер действует сила в один ньютон.

Индукция магнитного поля в вакууме связана с напряженностью поля соотношением

В0 — Р0Я,

где р0 = 4л 10—7 Гн/м — магнитная постоянная, а в среде с относи­ тельной магнитной проницаемостью рг

В = РоИт#- Магнитное поле в среде описывается тремя,основными векторами:

В = р0(Я + 7).

Поэтому |лг = 1 4- л, т. е. магнитная восприимчивость среды и ее магнитная проницаемость имеют однозначную зависимость.

Неоднородность магнитного поля характеризуется градиентом по заданному направлению X напряженности йН/дХ или магнитной ин­ дукции йВ/йХ.

Силовое взаимодействие с током не единственное проявление маг­ нитного поля. Магнитное поле проявляется также в виде явления электромагнитной индукции. Согласно закону электромагнитной ин­ дукции, переменное магнитное поле наводит в контуре э. д. с., значе­ ние которой определяется скоростью изменения магнитного потока;

Здесь Ф — магнитный поток, который равен суммарному потоку вектора магнитной индукции через контур площадью 5:

Ф= у ваз.

з

Единица магнитного потока — вебер (Вб).

Другой интегральной характеристикой магнитного поля является магнитодвижущая сила (м. д. с.), значение которой между двумя точ­

ками А и В определяется выражением

в

Рав = | наи

А

Единица магнитодвижущей силы — ампер.

В настоящее время существует много разнообразных приборов для измерений магнитных величин. Как правило, такие приборы состоят

из двух частей: измерительного преобразователя измеряемой магнит­ ной величины в величину иного вида (чаще всего электрическую), более удобную для дальнейшего преобразования или измерения, и вы­ ходного измерительного устройства. В зависимости от вида выходной величины преобразователи магнитных величин подразделяют на маг­ нитоэлектрические, магнитомеханические и магнитооптические.

относятся явление электромагнитной индукции, гальваномагнитные явления, явление изменения магнитного состояния ферромагнитных материалов в магнитном поле, квантовые явления, а также силовое взаимодействие исследуемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с электрическим током.

Явления электромагнитной индукции положены в основу принципа действия индукционных и ферромодуляционных преобразователей, причем в последних используется явление изменения магнитного со­ стояния ферромагнетика. Гальваномагнитные эффекты Гаусса и Холла лежат в основе принципа действия соответственно магниторезистивных и магнитогенераторных преобразователей. На использовании атомных ядерных или электронных резонансных явлений, возникающих при возбуждении микрочастиц внешним магнитным полем, основывается работа квантовых преобразователей. В магнитомеханических преобра­ зователях используется механическое проявление взаимодействия ис­ следуемого магнитного поля и поля постоянного магнита или контура

стоком.

Впоследнее время при создании измерительных преобразователей магнитных величин используют и другие явления. В частности, в сверх­ проводниковых преобразователях магнитных величин применяется эффект Джозефсона, который заключается в возникновении незатухаю­ щих переменных токов в сверхпроводнике при определенных значе­ ниях индукции магнитного поля. Свойство некоторых веществ вращать плоскость поляризации света под действием внешнего магнитного поля лежит в основе работы магнитооптических преобразователей.

Вкачестве выходного измерительного устройства применяется обычный электрический измерительный прибор или прибор со специ­ альными характеристиками.

При градуировке и поверке приборов и средств, предназначенных для измерения магнитных величин, необходимо создавать магнитные поля с определенными параметрами в заданных объемах. Такие маг­ нитные поля создаются с помощью соответствующих мер магнитных величин. При этом в основном используются меры магнитного потока, магнитной индукции, магнитного момента и градиента магнитного поля.

16.2. Индукционные и ферромодуляционные преобразователи

Принцип действия индукционных преобразователей основан на возникновении э. д. с., индуктируемой в измерительной катушке (ИК) (рис. 16.1) при изменении магнитного потока, пронизывающего витки