Магнитные измерительные преобразователи и приборы: типы, метрологические характеристики и схемы формирования электрических сигналов

Тип работы: Реферат
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 11 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный исследовательский технический университет имени К. И. Сатпаева

Институт энергетики и машиностроения

Кафедра «Энергетика»

СРС № 1

На тему: «Магнитные измерительные преобразователи и приборы»

6В07101 - Энергетика

Выполнил: Гылымбек А.

Руководитель

сениор-лектор

А. О. Бердибеков

(подпись)

«___ » 2022 г.

Алматы 2022

СОДЕРЖАНИЕ

Введение: Введение

3: 3

: 1

Введение: Магнитные измерительные преобразователи: измерительные катушки, схемы включения в измерительную цепь. Веберметры. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов

3: 4-6

: 2

Введение: Магнитные измерительные преобразователи - измерительные преобразователи, основанные на эффекте Холла. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов .

3: 6-7

: 3

Введение: Магнитные измерительные преобразователи - преобразователи Гаусса. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов

3: 8

Введение:

Магнитные измерительные преобразователи: ферромодуляционными преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов

Магнитные измерительные преобразователи: квантовые магнито-измерительные преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов

9-10

11-12

Введение: Список использованной литературы

3: 13

ВВЕДЕНИЕ

Основной составной частью магнитоэлектрических приборов является магнитоэлектрический измерительный механизм (преобразователь), в котором вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника с током, выполняемого обычно в виде рамки (катушки), по которой протекает измеряемый ток.

Основными узлами магнитоэлектрического измерительного механизма являются магнитная система и подвижная часть. Конструктивно различают магнитоэлектрические механизмы с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наиболее широко распространен механизм с подвижной рамкой. В свою очередь измерительные механизмы с подвижной рамкой делятся на механизмы с внешним магнитом и с внутренним магнитом.

По способу создания противодействующего, момента магнитоэлектрические измерительные механизмы подразделяются на измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом (логометры) .

Момент успокоения создается магнитоиндукционным путем (без применения специальных успокоителей) за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной рамки и в цепи самой рамки, с полем постоянного магнита.

Магнитные измерительные преобразователи: измерительные катушки, схемы включения в измерительную цепь. Веберметры. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.

Индукционные магнитоизмерительные преобразователи представитель данного вида ИП - измерительная катушка (ИК), витки которых сцепляются с преобразуемым магнитным потоком Ф.

Если ИК содержит w _к витков, то при изменении потока Ф в катушке возникает ЭДС, описываемая формулой

, (1)

где Ψ = w _k Ф - потокосцепление магнитного поля с ИК.

Для магнитного поля, однородного в пределах охватываемого катушкой пространства и ориентированного вдоль оси ИКУ, выражение (1) может быть приведено к виду , (2)

где s _k - площадь каждого из витков измерительной катушки.

Таким образом, из (1) и (2) следует, что измерительная катушка является измерительным преобразователем, посредством которого магнитные величины Ф, В, Н могут быть преобразованы в электрическую величину - ЭДС.

Если ИК ориентирована в пространстве так, что ее ось составляет с направлением вектора угол α, то выражение (2) может быть приведено к виду

, (3)

из которого следует, что индукционные магнитоизмерительные преобразователи в виде ИК могут выполнены в виде трех основных разновидностей.

Важнейшей характеристикой ИК является ее постоянная K _SW , которая согласно определению находится как сумма площадей поперечных сечений S _k всех витков катушки: , или К _SW = w _k s _k при равенстве s _k для всех витков катушки.

Выходную ЭДС, возникающую в измерительной катушке при ее внесении в поле или удалении из него, можно записать с помощью выражения (1), которое можно привести к виду

, (4)

где r - сопротивление цепи измерительной катушки; i - ток, протекающий в цепи ИК при условии, что она замкнута.

Схема веберметра с баллистическим гальванометром Г показана на рисунке 1. Первичным преобразователем является ИК, с которой сцепляется магнитный поток Ф. Изменение магнитного потока ∆Ф, осуществляемое внесением катушки в магнитное поле или удалением ее из поля, преобразуется катушкой в соответствии с выражением (4) в импульс тока i , проходящий по замкнутой цепи ИК. Отклонение указателя баллистического гальванометра α _m , как следует из его теории, пропорционально количеству электричества Q, прошедшего через его рамку:

, (5)

где C _б - баллистическая постоянная гальванометра.

Рисунок 1 - Схема включения измерительной катушки в веберметр

с баллистическим гальванометром

Веберметр (Вб) подключается к измерительной катушке (ИК) (рисунок 2) . Под воздействием изменяющегося магнитного потока Ф в ИК наводится ЭДС е в соответствии с выражением (1) .

Отклонение α подвижной части веберметра пропорционально изменению ∆Ф. С учетом (4) можно записать

, (6)

где S _вб - чувствительность веберметра, связанная с ценой деления C _вб прибора соотношением .

Отсюда измеренное изменение магнитного потока выразится формулой

. (7)

Магнитоэлектрические веберметры представляют собой высокочувствительные магнитоэлектрические приборы, у которых противодействующий момент подвижной части пренебрежимо мал по сравнению с моментом успокоения вследствие электромагнитного и воздушного торможения.

Вследствие малости противодействующего момента прибора его подвижная часть, отклонившись на угол α, остановится в этом положении, а затем начнет с малой скоростью перемещаться в положение, соответствующее нулю противодействующего момента. Это явление называют "сползанием" указателя, а скорость сползания указывается в технических данных прибора.

Веберметр выгодно отличается от баллистического гальванометра тем, что его показания практически не зависят от времени изменения измеряемого потока и от сопротивления измерительной катушки, если это сопротивление не превосходит определенного значения (для большинства отечественных веберметров равного 8 - 30 Ом) и электромагнитное торможение превышает успокоение из-за сопротивления воздуха.

Магнитные измерительные преобразователи - измерительные преобразователи, основанные на эффекте Холла. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, выполненный в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 (рисунок 3) выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по всей сечению преобразователя. Потенциальные (холловые) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

В магнитном поле носители заряда под действием силы Лоренца F = evB изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани - уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением

Е _хл = R _хл ϕ(К _геом , θ) I B cos α/d,

где R _хл - постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя; ϕ(К _геом , θ) - функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции ; α - угол между вектором магнитной индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя. Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) . Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пластинок (d = 0, 01 - 0, 2 мм) .

Типовая схема тесламетра с ПК представлена на рисунке 2. 12.

Преобразователь питается от источника тока питания ИТП. Выходной сигнал преобразователя Е _Х усиливается усилителем У, детектируется фазовым детектором ФД и подается на тесламетр, проградуированный непосредственно в единицах магнитной индукции.

3 Магнитные измерительные преобразователи - преобразователи Гаусса. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов .

Магнитоизмерительные преобразователи Гаусса, называемые магниторезисторами, основаны на использовании эффекта Гаусса, заключающегося в изменении внутреннего сопротивления некоторых материалов в магнитном поле вследствие изменения подвижности носителей электрических зарядов.

Под действием магнитного поля траектории носителей искривляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается. Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид

R _B = R _B=0 [1 + AuB ^m ], (8)

где u - подвижность носителей заряда; R _B=0 - сопротивление преобразователя при В = 0; А - магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя; m - показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В≤ 0, 2…0, 5 Т), для которых uB ≤ 1, и равный 1 в сильных магнитных полях, для которых uB ≥ 1.

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R _o , которое лежит в пределах от долей ома до десятков килоом, и магниторезистивная чувствительность . Обычно для характеристики магниторезистивных преобразователей используются зависимости , где ∆R ₀ = R _B - R ₀ .

Преобразователи Гаусса используются в приборах для измерений индукции в постоянных и переменных магнитных полях. Особенно эффективно их применение при измерениях в сильных (до 10 Тл) полях, так как функция преобразования в этом диапазоне для них достаточно линейная.

Магнитоизмерительные приборы с преобразователями Гаусса применяются в виде тесламетров постоянного и переменного магнитных полей. Простейший прибор может представлять собой неуравновешенный измерительный мост, в одно из плеч которого включен преобразователь Гаусса. При изменении сопротивления преобразователя в результате воздействия на него измеряемого магнитного поля в индикаторной диагонали моста возникает напряжение, или ток разбаланса, которые измеряются измерительным устройством, проградуированным в единицах магнитной индукции.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений, используются для создания тесламетров при сверхнизких температурах и преобразователей для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в измерение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов.

4 Магнитные измерительные преобразователи: ферромодуляционными преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов

Принцип действия ферроиндукционных преобразователей (называемых также ферромодуляционными) основан на изменении под воздействием измеряемого магнитного поля В _Х магнитного состояния (магнитной проницаемости μ) ферромагнитного сердечника, возбуждаемого переменным магнитным полем с постоянной напряженностью Н _∼ .

При одновременном воздействии на сердечник возбуждающего поля напряженностью Н _∼ и измеряемого поля напряженностью Н _х изменение магнитного состояния будет происходить по несимметричным динамическим петлям и кривая изменения переменной составляющей индукции В _∼ станет несимметричной относительно оси времени. Это будет означать, что в составе кривой индукции В _∼ наряду с нечетными гармоническими составляющими появляются также четные гармоники. Оказывается, что степень асимметрии, т. е. амплитуды четных гармоник в индукции В _∼ , пропорциональна в определенных пределах интенсивности измеряемого магнитного поля. Таким образом, по значению амплитуд четных гармоник, в частности второй гармоники, можно определить напряженность или индукцию измеряемого поля.

Типовая схема включения ферромагнитного преобразователя в измерительную цепь приведена на рисунке 1.

Феррозонд помещается в измеряемое магнитное поле с индукцией В _Х . Возбуждающее поле в феррозонде создается током, поступающим в обмотку возбуждения от генератора синусоидального тока. Выделение второй гармоники из выходного сигнала феррозонда осуществляется селективным усилителем. Выходной сигнал усилителя детектируется синхронным детектором и подается на измерительное устройство, которое может быть проградуировано в единицах магнитной индукции. Синхронное детектирование в данной схеме используется для определения изменения фазы е _вых на 180° при изменении направления магнитного поля на обратное. В этом случае выходное напряжение синхронного детектора будет изменять знак. Для улучшения технических и метрологических характеристик схема охвачена глубокой отрицательной обратной связью, которая вводится с помощью цепи обратной связи.

5 Магнитные измерительные преобразователи: квантовые магнито-измерительные преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.

Квантовыми называют преобразователи, принцип действия которых основан на силовом взаимодействии внешнего магнитного поля с магнитным полем микрочастиц (ядер, электронов, атомов, молекул), обладающих магнитным моментом m и моментом количества движения (спином) p. В результате такого взаимодействия микрочастицы, при помещении их во внешнее магнитное поле с индукцией В, начинают прецессировать вокруг направления вектора р. Прецессией называют движение, при котором ось собственного вращения тела перемещается вокруг некоторого направления (в данном случае - направления вектора В) с угловой частотой ω _о , образуя при этом коническую поверхность (5) . Частота прецессии ω _о микрочастиц вокруг направления вектора индукции В внешнего магнитного поля будет линейной функцией значения индукции В, т. е. ω = γ В, (9) где γ - гиромагнитное отношение, равное отношению магнитного момента частицы к моменту количества движения частицы и характеризующее ее магнитные механические свойства независимо от внешних условий (температура, влажность и т. д. ) .

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.