Измерение магнитной индукции и напряженности магнитного поля в постоянных и переменных полях выполняются с помощью тесламетров с преобразователями Холла . При помещении такого преобразователя в магнитное поле на боковых его гранях генерируется ЭДС.

Выпускаемые промышленностью тесламетры данного типа предназначены для измерений магнитной индукции в пределах 0,002…2 Т, с частотным диапазоном до 1 ГГц. К их достоинствам можно отнести простоту конструкции, удобство в эксплуатации, высокие метрологические характеристики. Недостатки: показания прибора зависят от температуры.

В ядерно-резонансных тесламетрах в качестве преобразователя применяется разновидность квантового магнитоизмерительного преобразователя, действие которого основано на взаимодействии атомов, ядер атомов с магнитным полем. Диапазон измерения таких устройств достигает 10Т при классе точности измерений в пределах 0,001…0,1.

Ферромодуляционные тесламетры предназначены малых постоянных и переменных низкочастотных магнитных полей. Принцип их работы основан на явлении сверхпроводимости и позволяет производить измерения магнитного поля, создаваемого биотоками сердца, мозга человека. Напряженность магнитного поля в таких устройствах измеряют электродинамическим способом, основанным на взаимодействии тока, протекающего по рамке, с измеряемым магнитным полем. О значении напряженности поля судят по углу отклонения рамки, помещенной в измеряемое магнитное поле, при неизменном значении тока в ней.

Магнитные материалы делят на три группы: магнитомягкие; магнитотвердые; материалы со специальными свойствами. Статические и динамические характеристики магнитных материалов и методы их определения регламентируются соответствующими ГОСТами и стандартами.

Аппаратура для определения характеристик и параметров магнитных материалов состоит из намагничивающих и измерительных обмоток, средств измерения, регистрации, обработки полученной информации и различных вспомогательных устройств. В промышленных установках для определения статических характеристик магнитных материалов определяют индукцию с помощью индукционно-импульсного метода, а напряженность поля косвенно по силе тока в намагничивающей катушке и ее параметрам или с помощью магнитоизмерительных приборов. В установках для определения динамических характеристик магнитных материалов обычно используют индукционный магнитоизмерительный преобразователь и различные способы измерения его выходного сигнала.

Испытание магнитных материалов стремятся проводить при равномерном намагничивании материала, когда индукция в различных сечениях образца одинакова. Для испытания магнитного материала в замкнутой магнитной цепи используют образцы в виде кольца, что обеспечивает наибольшую точность измерения. Но изготовление таких образцов – сложное дело, поэтому гораздо проще испытывать образцы материалов в виде полос, стержней с помощью специальных устройств – пермеаметров.

Основные статические характеристики материалов определяются в постоянных магнитных полях и позволяют отличать один материал от другого. К ним относятся: основная кривая намагничивания и петля гистерезисного цикла, площадь которой пропорциональна энергии, затрачиваемой на перемагничивание, а точки пересечения с осями координат позволяют определить основные магнитные характеристики материалов. Наиболее распространенный способ определения статических характеристик – индукционно-импульсный метод с использованием баллистического гальванометра и веберметра.

Динамические характеристики зависят не только от качества самого материала, но и от формы и размеров образца, формы кривой и частоты намагничивающего поля. Динамическая петля гистерезиса и ее площадь определяют полную энергию, рассеиваемую за цикл перемагничивания, т.е. потери за счет гистерезисных явлений, вихревых токов, магнитной вязкости и т.п. Семейство динамических петель характеризует магнитный материал при данных размерах образца, форме и частоте магнитного поля. Геометрическое место вершины динамических петель является динамической кривой намагничивания. Важными параметрами магнитных материалов в переменных магнитных полях являются различные виды магнитной проницаемости.

Предназначен для измерения нормальной составляющей магнитной индукции у поверхности полюсов постоянных магнитов, одиночных или собранных в блоки, а также магнитных сепараторов.

Измеритель ИМИ-М применяется на элеваторах, мукомольных, крупяных и комбикормовых предприятиях.

Принцип работы измерителя основан на эффекте Холла. Магнитная индукция измеряемого постоянного магнитного поля в датчике Холла преобразуется в электрический сигнал, который вызывает перемещение стрелки показывающего прибора. Угол отклонения стрелки прямо пропорционален величине индукции магнитного поля. Конструкция измерителя ИМИ-М представляет собой переносной диапазонный прибор с зондом специальной конструкции для измерения индукции магнитного поля. В корпусе установлен показывающий прибор - микроамперметр марки М 1690А. Для защиты от внешних воздействий и удобства измерений преобразователь Холла размещен внутри зонда, выполненного из немагнитного материала. Пластина преобразователя Холла установлена на плоскости тарелки строго по ее центру и закрыта стаканом. Внутри стакана выводы датчика соединены с проводами измерительного кабеля, передающего аналоговые сигналы на измерительную схему, установленную внутри корпуса прибора. Расстояние между пластиной преобразователя Холла и плоскостью полюса магнита равно толщине дна тарелки - 0,6 мм. Тарелка прижата к ручке зонда с помощью гайки. Измерительный кабель зафиксирован внутри зонда крепежным винтом. Камера для установки элементов питания А332 расположена под нижней крыш кой измерителя. Перед началом работы, не включая измеритель, механическим корректором направляют стрелку на нуль. После включения прибора задают рабочий режим (5 мин.), потенциометром «Уст. О» устанавливают нуль измерителя. Переводят переключатель В4 в положение «Контр.» и потенциометром рабочего тока «Уст. тока» выводят стрелку прибора на максимальную отметку шкалы. Выбирают предел измерения. Для этого устанавливают переключатель ВЗ в положение «1000 мТл». Берут зонд и прижимают плоскость гайки к плоскости полюса магнита. Если стрелка прибора установится в диапазоне не более 200 мТл, то измеритель следует переключить на предел «200 мТл». При повышении значения 200 мТл измеритель следует включать на предел «500 мТл».

Технические характеристики.
Диапазон измерения магнитной индукции постоянных магнитных полей, мТл - 0-500.
Предел допускаемого значения основной погрешности измерителя (при температуре 20°С+2°С) на пределах измерения: «200 мТл», «500 мТл», %, не более +2,5.
Предел измерения «1000 мТл» - индикаторный.
Предел допускаемого значения дополнительной погрешности, вызванной отклонением температуры окружающей среды от нормального значения, %, не более 0,5 на 1°С.
Время успокоения подвижной системы измерителя, с, не более – 4.
Время установления рабочего режима измерителя, мин – 5.
Продолжительность непрерывной работы измерителя, мин, не менее – 15.
Источник питания - 3 батарейки А322.
Габаритные размеры, мм - 140x160x100.
Масса, кг, не более - 1,3.


Приборы для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля (далее - МП ) называются тесламетрами (Тм) , по аналогии с измеряемой величиной. Процесс измерения магнитных величин более сложный, чем определение электрических величин, соответственно и приборы и схемы тоже сложнее.

Наиболее распространенными магнитоизмерительными приборами для определения индукции и напряженности являются: Тм с преобразователем Холла, ферромодуляционный и ядерно-резонансный тесламетр.


Тм с преобразователем Холла определяют параметры средних (от 10-5 до 10-1 Тл) и сильных (10-1 до102 Тл) МП . Принцип работы таких тесламетров основан на появлении ЭДС в полупроводниках, помещенных в зону влияния МП .

При этом вектор магнитной индукции искомого МП должен быть перпендикулярен пластине полупроводника.

Через тело полупроводника протекает электрический ток I . В результате на боковых гранях пластины образуется разность потенциалов, которую называют ЭДС Холла. ЭДС определяется компенсационным методом или милливольтметром, шкала которого градуирована в теслах. На практике ЭДС Холла зависит от следующих параметров:

Ех=С*I*B;

где С – коэффициент, учитывающий конструктивные параметры пластины полупроводника;
I – сила тока, А;
В – магнитная индукция, Тл.

Зная силу тока I , коэффициент С и значение Ех , прибор градуируют в единицах измерения МП , при условии, что сила тока постоянна.

Тм с преобразователем Холла просты в применении, имеют небольшие размеры, что позволяет применять их при измерениях в малых зазорах. С их помощью определяют параметры постоянных, переменных и импульсных полей.

Пределы измерения обычного прибора от 2*10-3 до 2 Тл, с относительной погрешностью ±1,5–2,5%.


Вторым видом приборов для определения характеристик МП является ферромодуляционный тесламетр (ФМТ) . Используют ФМТ для измерения слабых и средних, постоянных и переменных (до 1кГц) МП .

В основу работы ФМТ заложено свойство пермаллоевых сердечников С, изменять свое магнитное состояние, при одновременном воздействии на них постоянного и переменного МП .

Наиболее широкое применение в схеме измерения рис.2 нашли дифференциальные ферромодуляционные преобразователи. Генератор Г служит для создания переменного МП , которое посредствам катушек ω влияет на сердечники С.

В связи с тем, что эти катушки включены встречно, т. е. конец одной совпадает с другой, ЭДС в цепи индикаторной катушки ωи отсутствует.

Если внести сердечники С в постоянное МП (измеряемое поле), так чтобы вектор магнитной индукции был параллелен оси сердечников, в измерительной обмотке появится ЭДС. Это явление происходит благодаря физическим свойствам пермаллоя, изменять свое магнитное состояние под воздействием двух разнородных полей.

Итак, под влиянием поля В_ , на входе избирательного усилителя ИУ, на ряду с нечетными гармониками, появятся четные. В частности ЭДС второй гармоники имеет прямую зависимость от напряженности МП Н и магнитной индукции В_ .

Е2 ≈ kH;
E2 ≈ k1B .

где k и k1 – коэффициенты, учитывающие конструкционные особенности сердечников, частоту и напряженность поля возбуждения ω;
Н – измеряемая напряженность МП ;
В_ - измеряемая индукция.

Синхронный выпрямитель получает с выхода ИУ усиленный сигнал ЭДС второй гармоники, преобразует ЭДС в пропорциональный ей (а значит и Н и В_ ) ток компенсации Iк .

Ток компенсации, протекая по компенсирующим обмоткам ωк , создает компенсирующее поле Вк , которое стремится уравновеситься с В_, и имеет встречное направление. Миллиамперметр, по которому также протекает ток Iк , градуирован в теслах.

Ферромодуляционные тесламетры имеют высокую чувствительность, точность, и могут быть использованы для непрерывных измерений параметров магнитного поля. Пределы измерения ФМТ от 10-6 до 1 мТл, с погрешностью от 1 до 5%.

Тесламетры с квантовыми магнитоизмерительными преобразователями используют для измерения средних и слабых МП , постоянных и переменных частотой до 20 кГц полей. Принцип действия квантовых магнитоизмерительных преобразователей заключается во взаимодействии ядер молекул вещества с МП .

На рис.3 представлена схема распространенного ядерно-резонансного преобразователя. В колбе находится рабочее вещество. По средствам генератора высокой частоты ГВЧ и катушки, охватывающей витками колбу, к рабочему веществу приложено переменное МП .

Взаимодействие ядер с МП называется прецессией. Итак, в колбе частицы прецессируют вокруг вектора магнитной индукции переменного поля.

Под прямым углом, на колбу с рабочим веществом, начинает действовать измеряемое постоянное МП В_ . Плавно изменяя частоту переменного поля, добиваются ядерного магнитного резонанса – совпадения частоты прецессии с частотой переменного поля. Резонанс заключается в увеличении амплитуды прецессии.

Этот процесс сопровождается поглощением части энергии переменного ВЧ поля, что приводит к изменению добротности катушки, а соответственно и изменению напряжения на ее концах.

Явление резонанса можно наблюдать на экране электронного осциллографа ЭО, на горизонтальный вход которого подается напряжение ГНЧ, а на вертикальный – выпрямленное напряжение рабочей катушки. ГНЧ питает током низкой частоты катушку модуляции Км, которая служит для модуляции магнитной индукции В_ .

Ядерно-резонансные тесламетры являются самыми точными, их относительная погрешность составляет 0,001–0,1%, в области значений 10-2–10 Тл.


Для измерения магнитной индукции переменного магнит­ного поля применяются преобразователи со стационарными (непо­движными) обмотками. Функция преобразования преобразователя соот­ветствует уравнению (4). Коэффициент преобразования, связываю­щий действующее значение индуктируемой ЭДС с амплитудным значением индукции периодически симметрично меняющегося магнит­ного поля, определяется выражением

(9)

где - коэффициент формы кривой;

- частота переменного маг­нитного поля.

При искаженной форме кривой обычно измеряют сред­нее значение индуктируемой ЭДС
.

Для измерения индукции постоянного магнитного поля могут быть использованы как преобразователи с условно стационарной обмоткой, так и преобразователи с принудительным движением обмотки. В пре­образователях со стационарной обмоткой изменение магнитного по­тока, сцепляющегося с витками обмотки, может происходить в ре­зультате изменения самого измеряемого поля, например при измере­ниях магнитного поля, вызываемого включением какого-то агрегата, или в результате однократного изменения положения самого преоб­разователя - удаления преобразователя из магнитного поля или поворота в поле на 90 или 180°.

Выходным сигналом такого преобразователя является импульс тока или импульс ЭДС, которые возникают при изменении полного магнитного потока. Изменение потока
связано с ЭДС и током как


; (10)

где - полное сопротивление измерительной цепи с учетом сопро­тивления преобразователя;

Q - количество электричества.

В качестве интеграторов используются баллистический гальвано­метр (при интегрировании тока) или магнитоэлектрические, фотогальванометрические и электронные веберметры с операционными усилителями, применяемые для интегрирования ЭДС.

Индукционные преобразователи для измерения параметров маг­нитных полей в воздушном пространстве обычно выполняются в виде измерительных катушек различной формы, начало и конец обмотки которых находятся в одном месте, чтобы не создавались дополнитель­ные контуры за счет подводящих проводов.

в)

a)
б)

Для измерения напряженности магнитного поля при испытании ферромагнитных материалов используются плоские измерительные катушки (рис. 1, а), помещаемые на поверхности испытуемого образца; при этом измеренная в воздухе напряженность поля

прини­мается равной напряженности поля на поверхности образца.

Для измерения магнитной индукции и напряженности неоднород­ных магнитных полей целесообразно использовать шаровые индук­ционные преобразователи (рис.1, б). Магнитный

поток, сцепляю­щийся с такой катушкой, равен

, (11)

где В 0 - индукция в центре преобразователя;

r - радиус сферы;

w - число витков на единицу длины оси zz ", которая должна совпадать с вектором В 0 .

Для измерения МДС используются индукционные преобразова­тели, называемые магнитными потенциалометрами, обычно выполняе­мые в виде равнoмерной обмотки на гибком изоляционном каркасе. Обмотка выполняется с четным числом слоев так, чтобы выводы нахо­дились в середине обмотки (рис. 1, в). Магнитный потенциалометр помещается в магнитное поле таким образом, чтобы его концы находи­лись в точках А и В, между которыми измеряется МДС. Магнитный поток, сцепляющийся с витками потенциалометра, равен


(12)

Порог чувствительности средств измерений со стационарными индукционными преобразователями определяется главным образом механическими помехами (вибрации, сейсмические и акустические воз­действия), которые приводят к колебаниям преобразователя и наве­дению дополнительной ЭДС, а также дрейфом интегрирующего выход­ного преобразователя. Наиболее чувствительные магнитоэлектрические веберметры имеют цену деления 5*10Вб, а фотогальванометрические веберметры - 4*10 Вб.

Индукционные преобразователи с вращающимися или вибрирую­щими чувствительными элементами имеют функции преобразования, которым соответствуют уравнения (5 – 7).

На (рис. 2, а ) показана схема -преобразователя (так называе­мого измерительного генератора), который состоит из рамки 1 с числом витков и вращается при помощи двигателя 2 c угловой частотой

; (13)

где - угол между магнитной осью преобразователя и поперечной компонентой

вектора магнитной индукции
, где - угол между осью вращения преобразователя и вектором.

Рис.2.

При " = 1 из уравнения (5) получаем


; (14)

Учитывая, что
имеем

Коэффициент преобразования преобразователя

(16)

где Е т - амплитудное значение генерируемой ЭДС.

Преобразователи с вращающейся катушкой отличаются высокой чувствительностью (до 300 В/Тл). Порог чувствительности ограничен уровнем шума коллектора и наводками от электродвигателя и цепи питания. Для снижения порога чувствительности используются бес­коллекторные токосъемы, а вращение генератора осуществляется через редуктор, с тем чтобы частота выходного сигнала отличалась от часто­ты сети и не была кратной частоте вращения двигателя.

На (рис. 2, б) изображен четногармонический преобразователь. В качестве вращающегося элемента используется короткозамкнутое кольцо 1, которое вращается двигателем 2 в неподвижной обмотке 3. Магнитное поле, создаваемое током, индуктированным в короткозамкнутом кольце при его вращении во внешнем поле с индукцией В 0 , изменяется с одинаковой частотой как по модулю, так и по направле­нию. Вследствие этого проекция вектора магнитной индукции поля на ось неподвижной обмотки, совпадающей с вектором измеряемой магнитной индукции В, будет изменяться пропорционально
. Суммарный поток, пронизывающий неподвижную катушку (активным сопротивлением кольца пренебрегаем), равен

и ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке,

; (18)

Разнесение частот напряжения питания и полезного сигнала позво­ляет отфильтровать

наводки и создать на рассмотренном принципе индукционные преобразователи с порогом

чувствительности
Тл.

На (рис.2, в) показан S-преобразователь с радиальными коле­баниями, возбуждаемыми электрострикционным вибратором. Вибра­тором является тонкостенный цилиндр 1 из сегнетокерамики PbZrO 3 с металлизированными внутренней 2 и внешней 3 поверхностями, куда подводится переменное управляющее напряжение U f . Внутренний электрод имеет продольный разрез 4, а внешний представляет собой короткозамкнутый виток, на котором находится вторичная многовитковая обмотка 5. Вследствие радиальных электрострикционных колебаний периодически изменяется площадь поперечного сечения короткозамкнутого витка, и при наличии постоянного магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен по оси цилиндра, в наруж­ном короткозамкнутом витке возникает переменный ток, который вы­зывает во вторичной обмотке ЭДС, пропорциональную индукции .Частота электрострикционных колебаний и выходной ЭДС равна удво­енной частоте управляющего напряжения.

Измеритель магнитной индукции Ш1-9 (Ш19, Ш1 9)
Переносной прибор, предназначенный для измерения индукции постоянных полей магнитов, электромагнитов и соленоидов с высокой точностью в лабораторных и цеховых условиях.

Диапазон измерения: от 25 до 2500 мТл.

Измерители магнитной индукции Ш1-9 представляют собой переносной прибор, предназначенный для измерения индукции постоянных полей магнитов, электромагнитов и соленоидов с высокой точностью в лабораторных и цеховых условиях.

Рабочие условия эксплуатации прибора Измеритель магнитной индукции Ш1-9: температура окружающей среды от 278 до 313 К (от 5 до 40° С); относительная влажность воздуха до 98% при температуре 298 К (25° С); атмосферное давление от 60 до 106 кПа (от 450 до 800 мм рт. ст.); напряжение питающей сети (220±22) В, частотой (50±0,5) Гц.

Диапазон измерения магнитной индукции постоянных магнитных полей - от 25 до 2500 мТл в межполюсных зазорах постоянных магнитов и электромагнитов. Весь диапазон измеряемых индукций перекрывается пятью сменными преобразователями. Пределы измерения магнитной индукции для каждого преобразователя с учетом перекрытия и запаса по краям диапазона приведены в табл. 1.

Таблица 1

Диапазон измерения магнитной индукции полей соленоидов от 57 до 700 мТл. Весь диапазон измеряемых индукций перекрывается двумя сменными преобразователями. Пределы измерения для каждого преобразователя с учетом перекрытия и запаса по краям диапазона приведены в табл. 2.

Таблица 2

Прибор Ш1-9 имеет встроенный цифровой индикатор отсчета вели чины измеряемого магнитного поля в единицах магнитной индукции, а также выход для подключения внешнего частотомера. При этом разность результатов измерения частоты встроенным цифровым индикатором и частотомером не превышает ±(0,003+0,1/Визм) % где Визм - показания цифрового индикатора.

Прибор Ш1-9 имеет встроенный осциллографический индикатор для наблюдения сигнала ЯМР, а также выход для подключения внешнего осциллографа. При этом разность показаний при работе с осциллографом и внутренним индикатором сигнала ЯМР не превышает ±0,003% от измеряемого значения магнитной индукции.

Прибор Ш1-9 обеспечивает измерение магнитной индукции в полях с неоднородностью до 0,05% на 1 см. При этом отношение сигнала к шуму не менее 1,5. Погрешность при измерении магнитной индукции не превышает:

1) ±(0,01 + 0,1/Визм) % при неоднородности магнитного поля не более 0,02 % на 1 см, где Визм - измеряемая магнитная индукция, мТл;

2) ±0,1% при неоднородности магнитного поля в пределах (0,02-0,05)% на 1 см.

Прибор Ш1-9 обеспечивает контроль уровня напряжения высокой частоты, контроль УПТ, тока модуляции и выходного напряжения фазового детектора, а также контроль калибровки цифрового индикатора и установки луча осциллографического индикатора. Максимальная индукция поля модуляции, создаваемого преобразователями, не менее 1 мТл. Прибор Ш1-9 обеспечивает автоматическое поддержание условий ЯМР при изменении магнитной индукции на ±0,05% для значений магнитной индукции от 100 до 700 мТл при неоднородности поля не более 0,02% на 1 см и отношении сигнала к шуму не менее 5. При этом погрешность измерения магнитной индукции не превышает ±0,02%.

Прибор Ш1-9 обеспечивает автоматический поиск сигнала ЯМР при измерении магнитной индукции постоянных магнитных полей от 50 до 500 мТл в межполюсных зазорах постоянных магнитов и электромагнитов при неоднородности поля не более 0,02% на 1 см и отношении сигнала к шуму не менее 5.

Прибор Ш1-9 обеспечивает полуавтоматический поиск сигнала ЯМР при измерении магнитной индукции постоянных магнитных полей от 50 до 500 мТл в межполюсных зазорах постоянных магнитов и электромагнитов. Прибор Ш1-9 обеспечивает на гнездах ФД "┴" управляющее напряжение для системы стабилизации полей электромагнитов не менее плюс 1В и не более минус 1В при нагрузке 1кОм и отношении сигнала к шуму не менее 5.

Значение частоты выходного напряжения на гнезде "5 МГц" равно (5±25·10-6) МГц. Прибор Ш1-9 обеспечивает технические характеристики по истечении времени установления рабочего режима, равного 15 мин. Прибор Ш1-9 допускает непрерывную работу в рабочих условиях в течение 8 ч при сохранении своих технических характеристик. Время непрерывной работы не включает в себя время установления рабочего режима.

Питание прибора Ш1-9 осуществляется от сети переменного тока напряжением (220±22) В, частотой (50±0,5) Гц. Мощность, потребляемая от сети при номинальном напряжении, не более 120 ВА. Габаритные размеры, мм, не более: генератора - 330x223x338; индикатора - 330x183x338; ящика укладочного для генератора - 580x301x446; ящика укладочного для индикатора - 580x301x446; ящика транспортного для генератора -752х532х560; ящика транспортного для индикатора - 752x532x560. Масса, кг, не более: генератора - 13; индикатора - 10; генератора и комплекта ЗИП в транспортном ящике - 70; индикатора в транспортном ящике - 60.