Измерения магнитных величин. Основные методы и средства

СОДЕРЖАНИЕ:

Измерение электрических и магнитных величин.

Измерения играют большую роль в жизни человека. Благодаря измерениям люди избавились от многих неправильных выводов и заключений, которые были сделаны ранее на основании наблюдений за явлениями природы: так, было установлено, что неподвижные звезды в действительности смещаются относительно друг друга, что географический и магнитный полюсы не совпадают, что Земля не есть шар и т. д. Измерения и измерительные приборы дополняют наши органы чувств и позволяют нам воспринимать невидимый свет, познавать и оценивать электрические и магнитные поля. Можно привести еще много примеров, показывающих значение измерений в точных науках, в познании окружающей нас природы.

С помощью измерений осуществляется связь формул теории с экспериментом.

Что касается роли измерений в технике, то достаточно напомнить, что основной современный технический принцип — взаимозаменяемость деталей — неосуществим без широко развитой и технически совершенной измерительной базы. Все вопросы, связанные с качеством продукции, экономичностью производства, борьбой с браком и т. д., также в конечном счете определяются измерениями.

Из всех видов измерений электрические измерения имеют особое значение, так как электрические и магнитные величины, как правило, непосредственно не воспринимаются органами чувств человека. Поэтому обнаружение электрических и магнитных величин, количественное определение их, а также изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи средств измерения электрических и магнитных величин.

Посредством магнитных измерений решается весьма широкий круг
научных и прикладных задач, к которым можно отнести: исследование
свойств магнитных материалов; исследование всевозможных электромагнитных механизмов и приборов для выявления распределения магнитных потоков и МДС; испытание постоянных магнитов; измерение
магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов; контроль качества магнитных материалов и изделий из них; определение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам (магнитная
дефектоскопия); изучение магнитного поля Земли и других планет; разведка полезных ископаемых; изучение структуры сильных магнитных
полей, создаваемых различными установками; исследование слабых
магнитных полей космического пространства и полей биологических
объектов и т. д.

Измерительная техника является важнейшим фактором научного и технического прогресса практически во всех областях народного хозяйства.

Измерительная информация широко используется для регулирования и автоматического управления различными объектами и технологическими процессами.

Интенсивное развитие средств электронной техники значительно расширило возможности электроизмерительной техники.

Одно из современных направлений электроизмерительной техники, базирующееся на достижениях электроники, — создание цифровых измерительных приборов. Измерительную информацию можно представить в непрерывной и дискретной форме в виде непрерывных или дискретных сигналов.

Новые горизонты открыло перед электроизмерительной техникой появление ЭВМ, использующих новейшие достижения электронной техники..

Говоря о роли и значении измерительной техники в научном и техническом прогрессе, нельзя забывать, что для успешного выполнения этих задач необходимо поддержание единства измерений, обеспечивающих требуемую точность и сопоставимость результатов измерений. Единством измерений называется такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью.

Развитие электроизмерительной техники весьма эффективно способствует углублению знаний, новым открытиям и всестороннему прогрессу во всех отраслях науки и техники.

1. Основные понятия

В данной главе мы ознакомимся с основными понятиями и определениями.

Измерения являются одним из основных способов познания природы, служат предпосылкой и составной частью исследований и открытий.

Измерения – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом.

Различают 2 метода измерения:

    • метод непосредственной оценки;
    • метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерения. Отсчетное устройство показывающего средства заранее проградуировано в единицах измеряемой физической величины. Метод прост, но точность его невысока.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сложен.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течении известного интервала времени.

Все единицы измерения, используемые в электротехнике, могут быть выведены из четырех основных. Для того чтобы число основных единиц было минимальным, были выбраны три единицы, применяемые в механике: метр (м), килограмм (кг) и секунда (с) и добавлена к ним четвертая основная единица из электротехники – единица силы электрического тока ампер (А).

Из этих четырех основных единиц могут быть образованы все другие электрические единицы.

С 1946 г. ампер определяют следующим образом: это сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным тонким проводникам (проволокам), расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2*10 Н на 1 м длины.

Единица электрической мощности – ватт – получается прямым приравниванием единице механической мощности:

Вольт, единица электрического напряжения, связана с ампером через электрическую мощность:

Ом – единица электрического сопротивления, определяется согласно закону Ома по силе тока и напряжению:

Все другие электрические единицы измерения также являются производными. Обзор электрических величин и единицы их измерения представлены в таблице 1.3

Таблица 1.3 — Электрические величины и их единицы измерения

Величина Обозначение в формулах Наименование единицы Символ Равнозначные выражения
Сила тока I, i Ампер А
Мощность Р Ватт Вт
апряжение U, u Вольт В
Сопротивление R Ом Ом
Энергия, работа W Джоуль Дж 1Дж= 1Вт 1с=1Н 1м
Емкость С Фарада Ф =
Индуктивность L Генри Гн

Магнитные измерения относятся к области измерительной техники, занимающейся измерением магнитных величин для определения характеристик магнитных полей, веществ и материалов.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений, определяются в основном несколько магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность J, магнитный момент Мм.

Одной из основных характеристик магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который может быть определен по силе F, с которой поле действует на заряд q, перемещающийся в поле со скоростью v:

Единицей магнитной индукции в международной системе СИ является тесла (Тл).

Поток вектора магнитной индукции B через поверхность s называют магнитным потоком

Единица магнитного потока в системе СИ — вебер (Вб). Единица напряженности магнитного ноля в системе СИ — ампер на метр (А/м).

Векторы В и Н связаны между собой в вакууме и воздухе соотношением

где μ = 4π 10 -7 — магнитная постоянная, Гн/м.

Для среды с магнитной проницаемостью μr связь между В и Н имеет вид

Раздел № 8 Измерение электромагнитных величин.

Магнитные измерения составляют неотъемлемую часть всей электроизмерительной техники. При этом удельный вес магнитных измерений среди других непрерывно возрастает. Объясняется это все более широким использованием магнитных явлений в науке и технике, значительным ростом выпуска ферромагнитных материалов (ФММ) и применением их в электротехнических устройствах, приборах и автоматике.

В основе классификации методов магнитных измерений лежит физическая сущность явлений, используемых для измерительного процесса, т.е. преобразование магнитной величины в электрический сигнал.

В связи с этим различают индукционные методы измерения магнитных величин; методы, основанные на взаимодействии двух магнитных полей; методы, основанные на влиянии магнитного поля на физические свойства веществ.

Методы измерения магнитных величин лежат в основе испытаний магнитных материалов. Все ферромагнитные материалы делятся на магнитно-твёрдые (МТМ) и магнитно-мягкие (МММ). Первые используются в качестве источников постоянных магнитных полей (постоянные магниты ПМ). Для них к настоящему времени сложились три направления испытаний: исследование свойств МТМ, производственный контроль образцов МТМ, производственный контроль постоянных магнитов. При исследовании свойств МТМ необходимо получать достаточно полную информацию о свойствах материала: начальная кривая намагничивания, предельная петля магнитного гистерезиса, кривые возврата для различных точек размагничивающего участка и др. Измерение индукции производится, как правило, индукционными и гальваномагнитными преобразователями. Измерение напряжённости поля обычно сводится к измерению тока в намагничивающих устройствах или получению информации о тангенциальной составляющей напряжённости поля от индукционных или гальваномагнитных преобразователей. Перемагничивание МТМ может быть осуществлено постоянным и переменным полем. При намагничивании материала постоянным полем получаются статические характеристики. При непрерывном циклическом изменении поля получаются динамические характеристики, которые в инфранизком диапазоне частот перемагничивания могут быть приближены к статическим с необходимой точностью.

Для обеспечения правильности процесса производства МТМ и соответствующей коррекции технологического режима контролируются наиболее важные отдельные параметры материала, в частности, коэрцитивная сила Нс. Алгоритм получения Нс сводится к фиксации нулевых значений магнитной индукции или намагниченности и отсчёту напряжённости поля.

В основе классификационных признаков контроля постоянных магнитов лежат вид контролируемых параметров, способ получения информации. Различают контроль по магнитному потоку в системе, близкой к рабочей; контроль по размагничивающему участку. По способу, получения выходной информации различают устройства с непосредственным отсчётом и дифференциальным способом измерения — получением информации в виде разности характеристик образцового и испытуемого ПМ.

Магнитно-мягкие материалы характеризуются магнитными параметрами, измеряемыми в постоянном и переменном полях. Основными измеряемыми характеристиками, в постоянных полях для МММ являются: основные кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса и её параметры (Вг Нс), начальная и максимальная магнитные проницаемости. ГОСТ 8.377 – 80 устанавливает в качестве основного баллистический метод исследования свойств материала. В настоящее время в связи с разработкой промышленностью унифицированных электронных устройств широкого применения получил распространение метод непрерывного медленно изменяющего поля.

В переменных полях основными характеристиками МММ являются основная динамическая кривая намагничивания, динамическая петля гистерезиса, комплексная магнитная проницаемость и удельные потери. Кроме того, в зависимости от частотного диапазона испытания существует ещё целый ряд определяемых характеристик и параметров. Наиболее часты испытания МММ в частотном диапазоне 50 Гц — 10 кГц. Основными методами испытания в этом диапазоне частот являются: индукционный с использованием амперметра, вольтметра, ваттметра; индукционный с использованием фазочувствительных приборов (феррометрический); индукционный с использованием потенциометра переменного тока; индукционный с использованием феррографа (осциллографический); индукционный с использованием стробоскопических преобразователей; параметрический (мостовой).

Индукционные методы характеризуются измерением ЭДС, индуктированных в измерительных катушках. Использование амперметра и вольтметра даёт возможность определения динамической относительной проницаемости. Являясь наиболее простым, этот способ измерения обладает большой погрешностью (до 10 %) и не обеспечивает возможности определение потерь в образцах. Использование ваттметра стандартизировано для определения потерь в образцах из МММ.

Преимуществами ваттметрового способа являются простота и высокая производительность, сравнительно небольшая для промышленных испытаний погрешность измерения (5 — 8 %), широкий частотный диапазон испытания (до 10 кГц). К недостаткам следует отнести малый объём информации и увеличения погрешности при перемагничивании до индукции свыше 1,2 Тл из — за отклонения формы кривой от синусоидальной формы.

В основу феррометрического способа измерения положено определение мгновенных значений периодических несинусоидальных величин с помощью фазочувствительных приборов. Связь среднего значения производной функции и мгновенного значения самой функции является здесь основой использования инерционных приборов для регистрации динамических характеристик МММ.

К преимуществам феррометрического способа измерения относятся:

— малая погрешность (2 — 5 %);

— возможность определения большого числа магнитных характеристик, в том числе и расчёта потерь.

Недостатками способа являются ограниченность размеров образцов и частотного диапазона; длительность процесса измерений и обработки результатов; относительно высокая стоимость устройств.

Осциллографическим способом пользуются для измерения и визуального наблюдения основной динамической кривой намагничивания, семейства симметричных петель гистерезиса, потерь в образцах на частотах от 50 до 500 Гц. К недостаткам способа следует отнести необходимость замеров на экране осциллографа, что связано с увеличением объективных и субъективных погрешностей отсчёта.

Наиболее точным из индукционных методов испытания МММ является потенциометрический, основанный на измерении сигналов, пропорциональных В и Н, с помощью потенциометров переменного тока. Этим способом определяются зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля, составляющие комплексной магнитной проницаемости, полные потери. Достоинствами способа являются высокая точность измерения и широкий диапазон измеряемых величин. К недостаткам относятся: длительность процесса измерения, высокая стоимость используемой аппаратуры и её сложность.

Сущность стробоскопического способа измерения заключается в том, что исследуемые периодически изменяющиеся сигналы произвольной формы умножаются на так называемый строб-импульс. При этом перемножение в каждом последующем периоде происходит со сдвигом во времени на некоторый интервал (шаг считывания) по отношению к предыдущему. В результате можно произвести и затем воспроизвести считывание всего периода исследуемого сигнала по точкам. Это даёт возможность подобно феррометрическому способу использования для регистрации быстроизменяющихся процессов инерционных самопишущих и цифропечатающих приборов. Основным достоинством стробоскопического способа измерения является возможность получения документальной информации о характеристиках ФММ в процессе перемагничивания последних.

Параметрический метод испытания магнитных материалов заключается в определении индуктивности и сопротивления катушки с испытуемым магнитопроводом путём уравновешивания мостовой схемы. В основном этот метод предназначен для определения характеристик в области слабых полей. Преимуществами его являются: высокая точность измерения, широкий частотный диапазон испытания. К недостаткам относятся: зависимость результатов измерения от индуктивных и емкостных помех, создаваемых элементами схемы измерения; увеличение погрешности на низких частотах испытания; сложность и длительность процесса испытания.

Существуют и другие методы испытания МММ в динамическом режиме перемагничивания, однако технико-эксплуатационные характеристики устройств на их основе не эффективны в условиях массовых испытаний.

В данном разделе применена одна лабораторная работа с использованием осциллографа, поэтому все остальные методы только упоминаются эскизно.

Изучение частот колебаний также касается и измерений магнитных материалов, поэтому из этого раздела необходимо заимствовать сведения для разделов 7, 9, 10 и, следовательно, наоборот, из разделов 7, 9, 10 в раздел 8.

Для организации лабораторных работ по разделу № 8 измерения электромагнитных величин на кафедру МСиС ТФ ГОУ ОГУ приобретена лабораторная установка «Методы измерения электрических величин МСИ 6», — паспорт МСИ 6 ПС от Министерства образования РФ ФГО ООО «ИНТОС+» заводской № 009 по ТУ 9.461 – 2004 дата изготовления и упакована для отправки в ГОУ ОГУ на кафедру МСиС ТФ 15.09 2008 года:

Установка лабораторная «Методы измерения частоты МСИ 6» (далее –установка) является частью учебно – лабораторного комплекса, используемого для проведения лабораторных работ при изучении дисциплины «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» для специальности 200503 – Стандартизация и сертификация и 220501 – Управление качеством.

Установка должна эксплуатироваться в помещениях при температуре воздуха от+ 10°Сдо + 35°С, относительной влажности воздуха до 80 % при 25 ° С.

2 Основные технические данные

Установка предназначена для формирования частот заданного спектра в электрической и оптической формах, измерение частоты промышленными приборами

220 ± 22 50 ± 0, 4 не более 5

2.1 Питание от сети переменного тока:
— напряжением, В

Потребляемая мощность, В А

5,0 ±0,5 1,0±0,1 5, 0 ±1,0 0, 5 ± 0, 2 не более 200 не более 150 не более 100 не более 1,0 не менее 1000

2.2.1 Максимальное значение формируемой
частоты, кГц

2.2.2 Минимальное значение формируемой
частоты, кГц

2.2.3 Максимальное значение напряжения
электрического сигнала, В

2.2.4Минимальное значение напряжения
электрического сигнала, В

2.5 Габаритные размеры установки, мм
длина

2.6 Масса установки, кг

2.7Средняя наработка до отказа, ч

2.8 Средний срок службы до списания, лет

Дата добавления: 2015-01-13 ; просмотров: 800 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Основные методы измерения магнитных величин

Ускоренный темп развития метрологии, как науки об измерениях и измерительную технику, обусловил появление новых терминов и понятий, а также нового мировоззрения с принципами измерений электрических, магнитных и неэлектрических величин электрическими методами. Большое количество разнообразных магнитных и неэлектрических величин, возможность измерения их электрическими средствами измерений и возможность передачи измерительной информации на расстояние — все это придает указанным измерением особую роль в метрологии и метрологической деятельности.
Измерение магнитных величины (магнитные измерения) — это отрасль информационно-измерительной техники, которая занимается измерением величин, характеризующие магнитное поле, магнитные цепи, а также магнитные свойства веществ и материалов (ферромагнетиков).

Магнитное поле порождается движением электрических зарядов (током) и характеризуется напряженностью, не зависит от свойств среды, а определяется только геометрическими размерами контура и значением тока в нем.
Порожденное электрическим током, магнитное поле проявляется в форме силового воздействия на движущийся электрический заряд. Основной характеристикой силовой взаимодействия магнитного поля с электрическим током является магнитная индукция — это индукция такого однородного поля, в котором на каждый метр линейного проводника с током в один А действует сила в один Н. Преобразователи магнитных величин в электрические строятся на основе явлений электромагнитной индукции, ядерного магнитного резонанса, гальваномагнитными эффекта, в которых совокупность магнитных величин связана с выходными электрическими величинами строгими функциональными зависимостями.
Согласно средства измерений магнитных величины состоят из двух функциональных блоков — первичного измерительного преобразователя магнитной величины Х в электрическую величину Y и вторичного измерительного прибора, непосредственно измеряет величину Y.

Меры магнитных величин

Обеспечение единства магнитных измерений основано на трех первичных стандартах — магнитной индукции (напряженности магнитного поля), магнитного потока и магнитного момента, а также на соответствующих примерных мерах магнитных величин, подробнее об этом на https://www.ptsndt.com/ru/. Эталоны и меры магнитных величин используют в схемах передачи размеров магнитных величин от эталонов к рабочим средствам измерений. Примерные и рабочие меры магнитных величин применяют для метрологической поверки и градуировки соответствующих измерительных приборов.

Метрологической основой измерений сильных постоянных магнитных полей в диапазоне от 2,0 Тл до 10 Тл есть специальный эталон — сверхпроводящая катушка, которая воспроизводит единицу магнитной индукции с погрешностью, не более, чем 0,001%.
Меры магнитной индукции (напряженности магнитного поля) разделяют на две группы:

— меры в форме катушек, по обмотках которых протекает электрический ток;
— в форме постоянных магнитов.

Эталоны и меры магнитного потока

Государственный эталон магнитного потока — это катушка Кэмпбелла, первичная обмотка которого состоит из двух одинаковых секций, соединенных последовательно, а вторичная обмотка с большим диаметром размещена в симметричной плоскости между секциями первичной обмотки.
По конструкции катушка Кэмпбелла является сочетанием меры напряженности магнитного поля и измерительной катушки. Магнитное поле, созданное током в первичной обмотке (мера напряженности магнитного поля), пронизывает виткивторичной обмотки (измерительной катушки).
Меры магнитного потока применяют для метрологической поверки и градуировки измерительных приборов магнитного потока — веберметры, флюксметра, а также для определения постоянных измерительных катушек.
Меры магнитного потока строят на основе катушек Кэмпбелла и катушек Гельмгольца в сочетании с расположенной в ее центре вторичной обмоткой, а также катушек с двумя однослойными обмотками, которые размещены на одном каркасе.

Эталоны и меры магнитного момента

Первичный эталон магнитного момента построен в форме эталонных измерительных катушек, намотанных на кварцевые трубы. Эталон обеспечивает воспроизведение единицы магнитного момента с погрешностью, не более от 0,05%.
Меры магнитного момента делятся на две группы:

— меры в форме измерительных катушек, по обмотках которых протекает ток;
— постоянные магниты в форме эллипсоидов вращения и цилиндров.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Измерение — магнитная величина

Для удобства пользования приведенными численными значениями характеристик приводим основные единицы измерения магнитных величин в системе единиц СИ, а также соотношение между этими единицами и соответствующими им в системе СГСМ. [31]

Магнитные величины тесно связаны с электрическими величинами, поэтому во многих случаях измерение магнитных величин осуществляется электрическими средствами измерений. [32]

Магнитоизмерительные преобразователи, являясь основными элементами средств измерений, определяют рассмотренные выше методы измерения магнитных величин . Различают индукционные, феррозондовые, механические, гальваномагнитные, квантовые и другие преобразователи. [34]

МАГНИТНЫЕ ЭТАЛОНЫ — первичные эталоны, воспроизводящие установленные; законом ( ГОСТ) единицы измерения магнитных величин . [35]

В настоящей книге делается попытка весьма сжато дать описание принципов действия приборов, которые можно использовать для измерений магнитных величин , с тем чтобы облегчить заинтересованным лицам выбор вида прибора для конкретных измерений. [36]

Вторая глава посвящена приборам, основанным на явлении электромагнитной индукции, которые могут удовлетворить весьма разнообразным требованиям к измерениям магнитных величин . [37]

В книге рассматриваются: устройство и основы теории электроизмерительных приборов и преобразователей электрических и неэлектрических величин, методы электрических измерений, измерение магнитных величин и основы телеизмерений. [38]

В теоретической физике часто пользуются системой СГС Гаусса, в которой для измерения электрических величин взяты единицы системы СГСЭ, а для измерения магнитных величин — единицы системы СГСМ ( последняя используется в разделе Электромагнетизм; см. § 4 гл. [39]

Если не касаться применения магнитного компаса, известного еще в глубокой древности и явившегося в известной степени первым магни-то-измерительным прибором, то начало практического применения измерений магнитных величин следует отнести к первой половине XIX столетия. [40]

Имеющиеся в литературе сведения об отдельных ви дах магнитоизмерительных приборов не дают представления о полной совокупности приборов такого целевого назначения и не позволяют обоснованно выбирать вид прибора для измерения определенной магнитной величины . [41]

К магнитным величинам относятся магнитный поток Ф, магнитная индукция В и напряженность магнитного поля Я. Методы измерения магнитных величин основаны на преобразовании магнитных величин в электрические сигналы. [42]

Вебером системы абсолютных единиц для измерения электрических величин является одним из наиболее важных шагов, способствовавших развитию науки. Поставив вместе с Гауссом измерение магнитных величин в ранг высшей категории точности, Вебер в его Электромагнитных измерениях не только продолжает излагать свои глубокие принципы установления подлежащих использованию единиц, но и дает определение отдельных электрических величин через значения этих единиц с такой степенью точности, которой ранее никто даже и не пытался достигнуть. Как электромагнитная, так и электростатическая системы единиц обязаны своим развитием и практическим применением именно этим исследованиям. [43]

Чаще других измеряют следующие магнитные величины: магнитный поток, магнитную индукцию, магнитодвижущую силу ( мдс), напряженность магнитного поля, магнитную проницаемость, потери на гистерезис и вихревые токи. Область электроизмерительной техники, занимающаяся измерением перечисленных магнитных величин , а также разработкой методов и приборов для их определения, называется магнитными измерениями. С помощью магнитных измерений исследуют магнитное поле Земли и других планет солнечной системы; проводят магнитную разведку полезных ископаемых; определяют структуру материалов и наличие в них различных примесей и дефектов ( магнитный структурный анализ, магнитная дефектоскопия), а также магнитные характеристики различных материалов и в первую очередь ферромагнитных. [44]

В настоящее время существует много разнообразных приборов для измерений магнитных величин . [45]

Методы и средства измерений неэлектрических величин

Принципы автоматизации измерений

Тема 8. Методы, средства и автоматизация измерений

Частичная и полная автоматизация измерений

При автоматизации измерений используются следующие основные принципы:

  • частичная автоматизация;
  • полная автоматизация.

При частичной автоматизации решаются следующие задачи:

  • автоматический выбор диапазона измерений
  • выполнение в устройствах простейших математических операций
  • возможность вывода информации на периферийные внешние устройства
  • запоминание и хранение массивов получаемой информации
  • автоматическая компенсация влияний дестабилизирующих факторов.

Все из перечисленных позиций используются при создании измерительных средств, выполняющих свои функции автономно.

Полная автоматизация. Предполагает автоматизацию систем с помощью стандартных интерфейсов. При полной автоматизации измерений используются 2 основных подхода.

  • реализация блочно-модульных гибких информационно-измерительных систем. В этом случае конфигурация системы определяется набором стандартных модулей, размещаемых в крейтах и стойках.
  • создание систем на основе автономных измерительных приборов, снабженных специальными интерфейсными функциями (логическими схемами или программными модулями), обеспечивающими их включение в систему. При этом эти приборы или устройства могут выполнять свои функции и вне системы.
Каждый электрик должен знать:  Резистивный греющий кабель принцип работы, плюсы и минусы

При той и другой автоматизации необходимо преобразовывать неэлектрические величины, в электрические.

принципы преобразования неэлектрических величин в электрические,

классификация преобразователей, области их применения

Нередко такими методами производят замеры температуры, частоту вращения, давления, расход газов и жидкостей и др. Предназначенные приборы для измерения этих величин обладают преобразователем – это датчик, а их шкала отградуирована непосредственно в единицах измеряемых величин. Датчик же это элемент, преобразующий какую-либо физическую величину в сигнал, подходящий для замеров, передачи, регистрации, и конечно для воздействия им на управляемые процессы. Более широко используют датчики, действие которых сформировано на изменении электрического сопротивления, индуктивности, емкости – параметрические датчики, или на возникновении ЭДС вследствие теплового, механического, акустического, магнитного или оптического воздействия – генераторные датчики.

Параметрические датчики включают в цепь, содержащую источник тока и чувствительный измерительный прибор, который проводит регистрацию изменение силы тока, вызванное изменением сопротивления датчика. Реостатные датчики же собой представляют специальные резисторы, изменяющие под влиянием механических воздействий на них сопротивление в цепи.

Во время механического воздействия, например, на подвижный контакт реостата, сопротивление цепи и сила тока в ней изменяются, и прибор в результате сигнализирует о степени неэлектрического воздействия.

Проволочные датчики тензометры изменяют электрическое сопротивление вследствие деформации. Изготавливают тензометры из нихрома, константана или железохромалюминиевого сплава. Из этих материалов проволоку диаметром 0,02 – 0,04 мм закрепляют с помощью специального клея между двумя листами тонкой бумаги. Концы проволок тензометра крепко соединяют с медными проводниками, при помощи которых тензометр подключают в электрическую цепь. Воспринимая механическую нагрузку, тензометр деформируется, вследствие чего электрическое сопротивление проволоки изменяется.

Индуктивные датчики в момент растяжения, сжатия, охлаждения или нагревания их сердечника изменяют свое индуктивное сопротивление. Индуктивные датчики подключают в цепь переменного тока. В процессе изменения индуктивного сопротивления датчика подобающим образом меняется и сила тока в цепи. То есть на момент действия определённой силы на подвижную часть сердечника сокращается зазор между ней и неподвижной частью сердечника, от этого меняется его индуктивность, а значит и значение индуктивного сопротивления. В конечном итоге в зависимости от этой силы изменяется сила тока в обмотке индуктивного датчика. Этим же образом, при помощи индуктивного датчика по изменению силы тока можно определять значение той силы, которая воздействует на подвижную часть сердечника.

При механическом воздействии на ёмкостный датчик, он изменяет значение емкостного сопротивления, вследствие чего соответственно изменяется сила тока в цепи, в которую он включен. То есть на момент действия на обкладку конденсатора опять таки определённой силы, происходит изменение расстояние между его обкладками, а стало быть, и емкость конденсатора. Изменение ёмкости конденсатора инициирует подобающее изменение ёмкостного сопротивления, а в результате – изменение силы тока в цепи ёмкостного датчика. Этим же образом, по изменению силы тока в цепи, в которую подключён ёмкостный датчик, можно определять значении силы, воздействовавшей на него.

Термопара, микромашина постоянного тока относятся к генераторным датчикам. На момент изменения скорости вращения вала якоря машины постоянного тока изменяется значение ЭДС индукции. Фотоэлектрический датчик действует на свет, падающий на фотоэлемент. От этого возникает электрический ток, регистрируемый чувствительным прибором.

Широко применяют также пьезоэлектрические и другие генераторные датчики. Генераторные датчики включают в цепь без самостоятельного источника питания, так как они сами вырабатывают электрическую энергию. Работникам электротехнических профессий часто выдается пользоваться тахометром – специализированным прибором, предназначенным для замера частоты вращения.

Измерение неэлектрических величин сводится к тому, что они преобразуются в зависимую от них величину электрическую величину, при измерении которой определяется и неэлектрическая величина.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин состоят из трех узлов: преобразователя (датчика), измерительного устройства и указателя.

Преобразователь (датчик) устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для ее передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения.

Основной характеристикой преобразователя α=f(x) называется функциональная зависимость выходной величины, выведенная аналитически или графически.

Под порогом чувствительности понимается минимальное измерение значения входной величины, которое может быть зарегистрировано преобразователем.

Предел преобразования – это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения.

Погрешностью преобразователя называется отклонение его реальной характеристики от номинальной, полученной при первоначальной градуировке.

В зависимости от явления, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую, преобразователи делятся на три группы:

–электромеханические (контактные, реостатные, тензометрические, электростатические, электромагнитные);

–тепловые и электрохимические (термоэлектрические, термосопротивления, электрохимические);

–электронные и ионизационные (электронные, ионные, ионизационные).

По виду получаемой на выходе преобразователя выходной величины все пре-образователи можно разделить на две группы: параметрические и генераторные.

Если входная неэлектрическая величина преобразуется в один из параметров электрической цепи (R – сопротивление, L – индуктивность, М – взаимная индуктивность, С – емкость), для измерения которой необходимо применение источника питания, то преобразователь называется параметрическим, если неэлектрическая величина преобразуется в электродвижущую силу (ЭДС), то преобразователь называется генераторным.

К параметрическим измерительным преобразователям относятся: резистивные, индуктивные и взаимоиндуктивные, магнитоупругие, емкостные, электролитические, фотоэлектрические преобразователи и терморезисторы.

К генераторным измерительным преобразователям можно отнести: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических преобразователей.

К преобразователям как основным элементам приборов для измерения неэлектрических величин предъявляется ряд специфических требований: постоянство во времени функции преобразования (обычно линейной); высокая чувствительность; малая погрешность; высокие динамические свойства.

Измерительные устройства служат для преобразования, полученного на выходе преобразователя электрического параметра, в удобную для измерения электрическую величину. Они выполняются в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла и содержат измерительные цепи, усилители, источники питания, стабилизаторы и другие элементы.

Указатель исполняет роль регистрирующего прибора, проградуированного в единицах измерения неэлектрической величины. В качестве указателя используются различные электрические приборы, измеряющие тот или иной электрический параметр, связанный с измеряемой неэлектрической величиной.

По способу снятия отсчета указатели делятся на:

–визуальные, в качестве которых используются магнитноэлектрические механизмы, электроннолучевые трубки, автоматические показывающие мосты и потенциометры, а также цифровые приборы;

–регистраторы, назначение которых состоит в записи измеряемой величины в том или другом виде (самопишущие приборы, светолучевые осциллографы и тому подобное).

Основные требования к указателям такие же, как и к приборам для измерения электрических величин.

Тензорезисторные преобразователи (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению его сопротивления.

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С, является константантой . Зависимость сопротивления Rот относительной деформации е с достаточной точностью описывается линейным двучленом

где R сопротивление тензорезистора без деформации; SТ — тензочувствительность материала. Тензочувствительностъ константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Схемы включения. Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста (рис.8.2).

Если сопротивление нагрузки RH достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста

где U напряжение питания. В качестве R1 и R2 включаются одинаковые тензорезисторы.

При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: R10=R20=R0 Кроме того, обычно выбирают R3 = R4. В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (е = 0), Ux= 0.

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при R1 = R0 + ΔRи R2 = R0, выходное напряжение цепи и чувствительность в режиме холостого хода

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда R1= R0 + ΔRuR2 = R0 — ΔR, выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 10-20 мВ. Для дальнейшего преобразования такое напряжение без усиления использовать трудно. Поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители.

Если напряжение питания моста U не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста.

Погрешность тензорезисторных преобразователей. Тензорезисторы могут использоваться либо для измерения механических напряжений и деформаций, либо для измерения других механических величин: сил, давлений, ускорений и проч., когда деформация является промежуточной величиной преобразования. В первом случае для градуировки тензорезисторов из партии отбирают несколько штук и они наклеиваются на образцовую балку. С помощью гирь в балке создают определенные деформации. По значениям деформаций и соответствующим им сопротивлениям рассчитывается чувствительность наклеенных тензорезисторов

Это значение принимается в качестве номинального для всей партии. Чувствительность других тензорезисторов той же партии может отличаться от номинальной на 2—10%.

Погрешность может возникнуть вследствие температурных изменении сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора βТ и детали βД, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления

где Ro — сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; S — его чувствительность; а — температурный коэффициент сопротивления; Δt — изменение температуры.

Температурный коэффициент сопротивления константана можно изменять, изменяя его термообработку. Благодаря этому тензорезисторы можно изготавливать так, чтобы при наклейке на определенный материал его сопротивление не зависело от температуры. Такие тензорезисторы называются термокомпенсированными.

Пьезоэлектрические преобразователи/Принцип действия пьезоэлектрических измерительных преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков под действием механических сил или деформаций. При этом различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на гранях пьезоэлектриков при их сжатии или растяжении. При прекращении действия силы, приложенной к пьезоэлектрику, заряды на его гранях исчезают. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении геометрических размеров пьезоэлектрика при введении его в электрическое поле.

В качестве пьезоэлектриков употребляют кварц, титанат бария сегнетову соль, дигидрофосфат аммония и другие диэлектрики. Наибольшее распространение получили кварцевые пьезоэлектрики.

Схема устройства пьезопреобразователя приведена на рис. 8.3.

Преобразователь состоит: из двух пьезопластинок 1, расположенных так, чтобы их обращенные друг к другу грани имели заряды одного знака; из металлической прокладки 2; основания 3; нажимного устройства 4; изолятора 5; вывода 6. Под действием измеряемой силы F пьезопластины будут сжаты и на выводе 6 появится отрицательный потенциал, а на основании 3 положительный; отрицательный потенциал подается на сетку усилительной лампы.

Указатель прибора отградуирован в единицах силы F.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения: силы, давления, перемещения и количества вещества.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис. 8.4. На этой схеме С — собственная емкость преобразователя;

С1 — суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R — входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезозлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении к. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение можно переписать в виде

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени т. Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать т я R(C + С1). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 1011 Ом). Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении C1; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах S и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени τ = R (С + С1) обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10-100 с.

Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего диапазона 80 кГц.

В измерительной цени внешними электромагнитиыми полями может наводиться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызывает изменение чувствительности в соответствии с формулой и вносит погрешность.

При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кабеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС- Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей.

Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме. Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотную погрешность.

Изменение температуры пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Погрешность преобразователя может быть еще вызвана несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.

Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом

Магнитоупрутие преобразователи.Работа магнитоупругого преобразователя основана на магнитоупругом эффекте. Как известно, ферромагнитные вещества имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В не намагниченном состоянии вещества домены ориентированы хаотично и магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга. При помещении ферромагнитного тела в магнитное поле домены ориентируются в его направления. В слабом поле ориентация частичная; в сильном поле при магнитном насыщении материала ориентируются все домены. Ориентация доменов вызывает увеличение магнитной индукции, характерное для ферромагнитных материалов.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменят свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Явление имеет упругий характер. Если силу снять, то индукция примет прежнее значение. Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества

то при заданной напряженности поля изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости.

Изменение индукции или магнитной проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Схемы включения. Магнитоупругие индукционные преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи. В плечо, смежное с измерительным преобразователем, включается такой же преобразователь для компенсации аддитивных погрешностей. Он обычно не нагружается — прибор строится по дифференциальной схеме первого типа. Питание моста производится от феррорезонансного стабилизатора.

Схема включения трансформаторного магнитоанизотропного преобразователя приведена на рис. 8.5. Первичная обмотка 1 питается от феррорезонансного стабилизатора 2. На выходе у ненагруженного преобразователя имеется некоторое остаточное напряжение. Для его компенсации в цепь включен резистор R, на который подается напряжение через фазосдвигающую цепочку 3, Напряжение питания преобразователя выбирается так, чтобы режим его работы был близок к режиму насыщения магнитной цепи. При этом на выходе преобразователя имеется напряжение верхних гармоник значительной величины. Для зашиты от гармоник схема содержит фильтр верхних частот 4. Напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 5 и подается на магнитоэлектрический измерительный механизм 6. Фильтр нижних частот 7 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. При измерении быстропеременных процессов в качестве измерительного механизма включается гальванометр свeтолуче-вого осциллографа.

Магнитоупругие трансформаторные преобразователи могут работать также с автоматическими потенциометрами переменного тока.

Погрешность магнитоупругих преобразователей. Функция преобразования магнитоупругих преобразователей, как правило, нелинейна. Имеется ряд методов уменьшения нелинейности. Нелинейность уменьшается при сокращении диапазона измерения измеряемой силы; если наряду с измеряемой силой преобразователь нагружается некоторой дополнительной постоянной силой; при соответствующем выборе магнитного режима преобразователя; при применении магнитоанизотропных материалов, имеющих различную магнитную проницаемость в различных направлениях. Такие материалы получают в результате определенной технологической обработки — ковки, протяжки, прокатки и т. д. Применение этих мер позволяет уменьшить погрешность, происходящую вследствие нелинейности, до 1,5 —2 %.

Функция преобразования при увеличении нагрузки магнитоупругих преобразователей отличается от функции преобразования при уменьшении нагрузки. Это отличие имеет гистерезисный характер и обусловлено магнитным и механическим гистерезисом. При статических измерениях гистерезис преобразователя больше, чем при динамических. Для уменьшения погрешности, вызванной гистерезисом, рекомендуется изготавливать преобразователи из материалов, имеющих возможно больший предел упругости и возможно меньшую петлю магнитного гистерезиса. Максимальные механические напряжения в магнито упругом материале должны быть в 6-1 раз меньше его предела упругости. Погрешность, обусловленная гистерезисом, уменьшается после тренировки преобразователя. Тренировка производится 5—10-кратным нагружением силой, соответствующей пределу изменения преобразователя. Гистерезис может возникнуть также в результате сип трения, если, например, магнитопровод не сплошной, а составной. Приведенную погрешность, вызванную гистерезисом, можно снизить до 0,5-1 %.

При изменении температуры изменяются магнитная проницаемость магнитопровода и электрическое сопротивление обмоток. При резко выраженном поверхностном эффекте изменение температуры оказывает меньшее влияние, чем при слабо выраженном. Для уменьшения температурной погрешности используются дифференциальные схемы и специальные схемы температурной компенсации.

Терморезисторы.Терморезисторомназывается измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно при меняются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

где R — сопротивление при 0 0 С; а = 4,28·10 -3 температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен а= 3,91·10 -3 К -1

Чувствительный элемент медного терморезистора представляет собой пластмассовый цилиндр1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0—1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис 21), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь стланец 3.

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Номинальные функции преобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651-84.

Схемы включения металлических терморезисторов. Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

Вторичные преобразователи термометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить эту погрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, например при метрологических работах, используется компенсационная схема. По этой схеме применяют четырехзажимные платиновые терморезисторы. Провода1-1 используются для подвода тока, а два других 2—2 служат для измерения падения напряжения Ut на термочувствительной обмотке. Падение напряжения Ut измеряется с помощью потенциометра. Измеряется также падение напряжения U на образцовой катушке R. Сопротивление терморезистора при этом равно Rt = RU/U.

Благодаря компенсационному методу измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющих термометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.

Магнитоиндукционный тахометр. Ось тахометра связана с постоянным магнитом. Если же ось тахометра присоединить к валу машины, например, электродвигателя, то в момент вращения вала магнитное поле постоянного магнита станет пересекать алюминиевый колпачок. В итоге в колпачке возникнут вихревые токи; от частоты вращения оси тахометра зависит значение силы этих токов, а стало бы, и от частоты вращения вала машины.

От этих взаимодействий магнитных полей, формируемых постоянным магнитом и вихревыми токами, индуцируемыми в алюминиевом колпачке, конечный поворачивается и заставляет двигаться стрелку, соединенную с осью колпачка. Угол отклонения стрелки, таким образом, пропорционален частоте вращения вала машины. Также существуют тахометры, внутри которых вмонтирована микромашина переменного или постоянного тока и электроизмерительный чувствительный прибор, непосредственно отградуированный в единицах частоты вращения.

Широкое распространение в промышленности получило измерение электрическими методами неэлектрических величин, а также и во многих других случаях. Осуществление автоматического контроля и управления тоже связано с применением этих методов.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 1425 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

ГОСТ 20906-75
Средства измерений магнитных величин. Термины и определения

Купить ГОСТ 20906-75 — бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО «ЦНТИ Нормоконтроль»

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

Устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий средств измерений магнитных величин.

Ограничение срока действия снято: Постановление Госстандарта № 2936 от 13.11.78

Оглавление

Меры магнитных величин

Алфавитный указатель терминов

Дата введения 01.07.1976
Добавлен в базу 01.09.2013
Актуализация 01.01.2020

Этот ГОСТ находится в:

  • Раздел Экология
    • Раздел 17 МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
      • Раздел 17.220 Электричество. Магнетизм. Электрические и магнитные измерения
        • Раздел 17.220.20 Измерения электрических и магнитных величин
  • Раздел Электроэнергия
    • Раздел 17 МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
      • Раздел 17.220 Электричество. Магнетизм. Электрические и магнитные измерения
        • Раздел 17.220.20 Измерения электрических и магнитных величин
  • Раздел Экология
    • Раздел 01 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ТЕРМИНОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ. ДОКУМЕНТАЦИЯ
      • Раздел 01.040 Словари
        • Раздел 01.040.17 Метрология и измерения. Физические явления (Словари)
  • Раздел Электроэнергия
    • Раздел 01 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ТЕРМИНОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ. ДОКУМЕНТАЦИЯ
      • Раздел 01.040 Словари
        • Раздел 01.040.17 Метрология и измерения. Физические явления (Словари)

Организации:

10.06.1975 Утвержден Госстандарт СССР 1541
Издан Издательство стандартов 1975 г.
Разработан ВНИИМ им. Д.И. Менделеева

Measuring means for magnetic quantities. Terms and definitions

Чтобы бесплатно скачать этот документ в формате PDF, поддержите наш сайт и нажмите кнопку:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СТАНДАРТОВ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР

РАЗРАБОТАН Всесоюзным научно-исследовательским институтом метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ)

Директор Арутюнов В. О.

Руководитель темы Шрамков Е. Г.

Исполнитель Иванова Л. Ф.

ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Всесоюзным научно-исследовательским институтом технической информации, классификации и кодирования (ВНИИКИ)

Директор Панфилов Е. А.

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 10 июня 1975 г. № 1541

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ТЕРМИНОВ

Вариометр магнитный 70

Вебер метр интегрирующий 53

Веберметр магнитоэлектрический Е1

Веберметр фотогальваиометрический 5 2

Измеритель магнитного момента 67

Измеритель магнитодвижущей силы 68

Измеритель напряженности магнитного поля 66

Катушка измерительная 18

Катушка измерительная вибрирующая 20

Катушка измерительная вращающаяся 10

Катушка потенциалометрическая 21

Компаратор магнитный 69

1ера магнитной величины I

1ера магнитной индукции 2

Мера магнитной индукции индуктивная 3

Мера магнитной индукции с постоянным магнитом (магнитами) 4

Мера магнитной индукции с электромагнитом 5

Мера магнитного момента 9

Мера магнитного момента из магнетика 11

Мера магнитного момента катушечная 10

Мера магнитного потока 6

Мера магнитного потока взаимоиндуктивная 7

Мера магнитного потока с измерительной катушкой 8

Образец магнитного материала (вещества) стандартный 12

Преобразователь атомный 35

Преобразователь В и деман а магнитострикционный 38

Преобразователь гальваномагнитный 25

Преобразователь индукционно-импульсный 16

Преобразователь индукционно-периодический 17

Преобразователь индукционный 15

Преобразователь индукционный пьезострикционный 23

Преобразователь индукционный электрострикционный 22

Преобразователь квантовый 30

Преобразователь магнитодиодный 28

Преобразователь магнитоизмерительный 13

Преобразователь магнитоизмерительный активный 47

Преобразователь магнитоизмерительныи векторный 45

Преобразователь магнитоизмерительный пассывный 48

Преобразователь магнитоизмерительный скалярный 46

1реобразователь магнитомеханический 39

Преобразователь магнитомеханический астатический 40

Преобразователь магнитомеханоэлектрическцй 37

Преобразователь магнитооптический 43

Преобразователь магниторезистивный 27

Преобразователь магнитострикционный 42

Преобразователь магнитотермоэлектрический 36

Преобразователь магнитоэлектрический 14

Преобразователь поляризационный 44

Преобразователь ферромодуляционный 24

Преобразователь Холла 26

Преобразователь электродинамический 41

Преобразователь электронно-кинетический 29

Пр еобразователь электронно-резонансный 34

Преобразователь ядерно-прецессионный 33

Преобразователь ядерно-резонансный Преобразователь ядерный Прибор магнитоизмерительный Тесламетр Тесл а метр атомный Тесламетр дифференциальный Тесламетр магнитооптический Тесламетр магниторезистивный Тесламетр магнитострикционный Тесламетр ферромодуляционный Тесламетр Хола

Каждый электрик должен знать:  Сгорел счетчик электроэнергии куда звонить, что делать

Тесламетр электродинамический Тесламетр электроннорезонансный Тесламетр ядернопрецессионный Тесламетр ядернорезонансный

Редактор Е. 3. Усоскина Технический редактор В. Ю. Смирнова Корректор С. Е. Ирлина

Сдано в наб 30 06.75. Подп. в печ. 17.09.75. 0,75 п. л. Тир. 10000 Цена 4 коп.

Издательство стандартов. Москва. Д-22. Новопресьенский пер., д. 3. Вильнюсская типография Издательства стандарте в, ул. Миндауго, 12/14. Зак. 2615

УДК 001.4:621.317.4,08(083.74) Группа П00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

Термины и определения

Measuring means for magnetic quantities.

Terms and definitions

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от (0 июня 1975 г. N9 1541 срок действия установлен

с 01.07.76 до 01.07.81

Настоящий стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий средств измерений магнитных величин.

Термины, установленные настоящим стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, учебниках, учебных пособиях, технической и справочной литературе. Приведенные определения можно, при необходимости, изменять по форме изложения, не допуская нарушения границ понятий.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов — синонимов стандартизованного термина запрещается.

В стандарте приведен алфавитный указатель содержащихся в нем терминов.

© Издательство стандартов, 1975

МЕРЫ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

1. Мера магнитной величины

Мера, предназначенная для воспроизведения магнитной величины (магнитных величин)

2. Мера магнитной индукции

3. Индуктивная мера магнитной индукции

Мера, воспроизводящая магнитную индукцию

Мера магнитной индукции, представляющая собой катушку или несколько катушек с одной или с несколькими гальванически связанными между собой обмотками и воспроизводящая магнитную индукцию при пропускании по ее обмотке (обмоткам) электрического тока

4. Мера магнитной индукции с постоянным магнитом (магнитами)

Мера магнитной индукции, представляющая собой магнитную цепь, содержащую постоянный магнит (магниты) и воспроизводящая в воз душном зазоре магнитную индукцию

5. Мера магнитной индукции с электромагнитом

Индуктивная мера магнитной индукции, представляющая собой магнитную цепь, содержащую магнитол ровод и охватывающую его обмотку

6. Мера магнитного потока

Мера, воспроизводящая магнитный поток

7, Взаимоиндуктивная мера магнитного потока

Мера магнитного потока, состоящая из двух гальванически несвязанных между соб)й обмоток, воспроизводящая магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток

8. Мера магнитного потока с измерительной катушкой

Мера магнитного потока, состоящая из меры магнитной индукции и измерительной катушки, помещенной в создаваемое этой мерой магнитное поле

9. Мера магнитного момента

Мера, воспроизводящая магнитный момент

10. Катушечная мера магнитного момента

Мера магнитного момента в виде катушки, воспроизводящая магнитный момент при пропускании по ее обмотке электрического тока

11. Мера магнитного момента из магнетика

Мера магнитного момента в виде тела, устойчиво сохраняющего свою намагниченность

12. Стандартный образец магнитного материала (вещества)

Стандартный образец магнитного свойства (свойств) магнитного материала (вещества)

13. Магнитоизмерительный преобразователь

14 кцией взаимодействуют со вспомогательным переменным магнитным полем, вектор магнитной индукции которого не совпадает по направлению с вектором измеряемой магнитной индукции

35. Атомный преобразователь

Квантовый преобразователь, действие которого основано па резонансном поглощении энергии веществом, магнитные моменты атомов которого при помещении его в постоянное магнитное поле с измеряемой индукцией и облучении поляризованным светом определенной длины волны, направленным вдоль вектора измеряемой магнитной индукции, взаимодействуют со вспомогательным переменным магнитным полем, вектор магнитной индукции которого не совпадает по направлению с вектором измеряемой магнитной индукции

36. Магнитотермоэлек-трйческий преобразователь

Магнитоэлектрический преобразователь, действие которого основано на возникновении термо-э.д.с. на зажимах термопары, рабочий спай которой помещен в переменное магнитное поле с измеряемой магнитной индукцией

37. Магнитомеханоэлк-рический преобразователь

Магнитоэлектрический преобразователь в виде ферромагнитного тела, действие которого основано на возникновении э.д.с. на его концах при одновременном действии магнитного поля с измеряемой магнитной индукцией и механической силы

38. Магнитострикционный преобразователь Видемана

Магннтомеханоэлектрический преобразователь, находящийся при одновременном действии изме

39. Магнитомеханический преобразователь

ряемой магнитной индукции и крутящего момента Магнитоизмерйтельный преобразователь, у которого выходная величина—механическая, функционально связанная с входной магнитной величиной

40 Астатический магнитомеханический преобразователь

41. Электродинамический преобразователь

А 2. Магнитострикционный преобразователь

43. Магнитооптический преобразователь

44. Поляризационный преобразователь

43. Векторный магнитоизмерительный преобразователь

45. Скалярный мапштоиз-мерительный преобразова тель

47. Активный магнитоизмерительный преобразователь

48. Пассивный магнитоизмерительный преобразователь

Магнитомеханический преобразователь, имеющий подвижную часть в виде астатической системы с постоянными магнитами, не обладающую магнитным моментом

Магнитомеханический преобразователь, действие которого основано на отклонении подвижной катушки (катушек), при протекании по ее обмотке (обмотке м) электрического тока под влиянием индукции внешнего магнитного поля

Магнитомеханичеокий преобразователь, действие которого основано на изменении геометрических размеров ферромагнитного тела под влиянием измеряемой магнитной индукции

Магнитоизмерительный преобразователь, оптические свойства чувствительного элемента которого функционально связаны с входной магнитной величиной

Магнитооптический преобразователь, действие которого основано на использовании явления поворота плоскости поляризации оптически пассивным веществом, освещенным линейно-поляризованным лучом, под влиянием измеряемой магнитной индукции

Магнитоизмерительный преобразователь, у кокорого значение выходного сигнала зависит от расположения чувствительного элемента преобразователя по отношению к направлению векторь входной величины

Магнитоизмерительный преобразователь, у которого значение выходного сигнала не зависит от расположения чувствительного элемента преобразователя по отношению к направлению вектора входной величины

Магнитоизмерительный преобразователь, управ ляемый внешним источником энергии

Магнитоизмерительный преобразователь, не требующий внешнего источника энергии

МА1ГН НТО ИЗМЕРИТЕ Л ЬНЫЕ ПРИБОРЫ

49. Магнитоизмеритель- Измерительный прибор, предназначенный для

ный прибор измерения магнитной величины

с 3 Веберметр 1 Магнитоизмерительный прибор, предназначен

ный для измерения магнитного потока, шкала которого градуирована в веберах *

В зависимости от единиц, в которых градуирована шкала прибора, различают милли веберметр, микровеберметр, нановеберметр.

51. Магнитоэлектрический веберметр

Веберметр, предназначенный для измерения постоянного во времени магнитного потока, в котором применен магнитоэлектрический измерительный механизм с пренебрежимо малым механическим противодействующим моментом и большим моментом электромагнитного успокоения

12. Фотогальванометри-чепкий веберметр

Веберметр, предназначенный для измерения постоянного во врмени магнитного потока, в котором применен фотогальванометрический усилитель

53. Интегрирующий веберметр

Веберметр, предназначенный для измерения магнитного потока, в котором применено интегрирующее устройство

Магнитоизмерительный прибор, предназначенный для измерения магнитной индукции, шкала которого градуирована в теслах

5 5 Ферро модуляционный тесламетр

56. Магниторезистивный тесламетр

57. Тесламетр Холла

58. Ядерно-резонансный тесламетр

59. Ядерно-прецессионный тесламетр

60. Электронно-резонансный тесламетр

61. Атомный тесламетр

62. Электродинамический тесламетр

6 3. Магнитострикционный тесламетр

64. Магнитооптический тесламетр

66. Дифференциальный тесламетр

Тесламетр с ферромодуляциснньгм преобразователем

Тесламетр с магниторезистивным преобразователем

Тесламетр с преобразователем Холла

Тесламетр с ядерно-резонансным преобразователем

Тесламетр с ядерно-прецессионным преобразователем

Тесламетр с электронно-резонансным преобразователем

Тесламетр с атомным преобразователем

Тесламетр с электродинамическим преобразователем

Тесламетр с магнитострикционным преобразователем

Тесламетр с магнитооптическим преобразователем

Магнитоизмерительный прибор, предназначенный для измерения разности значений какой-либо составляющей магнитной индукции или напряженности поля в двух точках магнитного поля

66. Измеритель напряжен еюсти магнитного поля

Магнитоизмерительный прибор, шкала которого градиурована в единицах напряженности магнитного поля

67. Измеритель магнитного момента

68. Измеритель магнитодвижущей силы

69. Магнитный компаратор

Магнитоизмерительный прибор, шкала которого градуирована в единицах магнитного момента

Магнитоизмерительный прибор, шкала которого градуирована в единицах магнитодвижущей силы

Магнитоизмерительный прибор, основанный на прямом или косвенном сравнении двух однородных магнитных величин

70 Магнитный вариометр

Магнитоизмерительный прибор, предназначенный для измерения вариаций какой-либо составляющей индукции (напряженности) магнитного поля Земли или других планет

В зависимости от единиц, в которых градуиревана шкала прибора, различают миллитесла метр, м икр отесла метр, нанотесла метр.

11.6. Измерение магнитных свойств материалов

Материалы характеризуются различными магнитными свойствами.

Магнитная проницаемость – физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией и магнитным полем в веществе.

Различные материалы по-разному ведут себя в магнитном поле, а значит, имеют различную магнитную проницаемость:

· Диамагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1. Подавляющее большинство веществ являются диамагнетиками.

· Парамагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1.

· Ферромагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

· Ферримагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю.

· Антиферромагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга.

Коэрцитивная сила (Нс)– напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика.

При наличии корреляционных зависимостей между коэрцитивной силой и пластической деформацией по величине коэрцитивной силы можно вести контроль накопления повреждений в материале. Все эти зависимости выводятся экспериментальным путем.

Остаточная намагниченность– намагниченность, которую имеет ферромагнитный материал при напряженности внешнего магнитного поля, равной нулю. Значение остаточной намагниченности – один из важнейших параметров, характеризующих постоянные магниты.

Магнитные потери – потери на перемагничивание ферромагнетиков. Они складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и магнитное последействие.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т. е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи. В проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока, возникают вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Это приводит к потерям энергии в магнитопроводах.

Потери на магнитное последействие обусловлены магнитной вязкостью – отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Одна из основных причин магнитного последействия – тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические барьеры, мешающие их свободному смещению при изменении поля.

Магнитометрия– совокупность методов измерения магнитных параметров вещества: векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции, а также характеристик магнитной структуры вещества (электронных оболочек атомов, магнитной доменной структуры и др.).

Объектом магнитометрии является вся совокупность материальных дискретных образований, обладающих массой покоя, – от электронов, атомов, молекул до конденсированных тел.

Инструментарий магнитометрии – магнитоизмерительные приборы, в совокупности которых главную роль играют магнитомеры.

Магнитомер – прибор для измерения модуля полного вектора магнитной индукции или его составляющих. По признаку физического явления, на котором основан принцип действия прибора, магнитометры подразделяются на индукционные, квантовые, магнитооптические и гальваномагнитные.

Индукционные магнитометры. Принцип действия индукционного магнитометра основан на явлении электромагнитной индукции. По способу создания регистрируемого магнитного сигнала различают активные и пассивные индукционные магнитометры.

В приборах активного типа магнитный поток в катушке создают, подвергая ее внешним воздействиям. Большую группу активных магнитометров составляют ферромодуляционные приборы, катушка которых неподвижна, а магнитную проницаемость ее сердечника изменяют с помощью вспомогательного магнитного поля. Оно может быть постоянным или медленно изменяться с частотой в несколько герц. Вспомогательные поля высокой частоты применяют в приборах, названных феррозондами. Феррозонд – прибор для измерения напряженности магнитных полей и их градиентов. Феррозондам свойственна высокая чувствительность к магнитному полю (до 10 –4 –10 –5 А/м).

Магнитометры пассивного типа предназначены для измерения магнитной индукции переменных и импульсных полей. С помощью ферромодуляционных и пассивных магнитометров проводят наземные и подводные измерения слабых полей, осуществляют неразрушающий контроль материалов. Магнитные параметры материалов измеряют магнитометрами с вращающейся и вибрирующей катушкой.

Квантовые магнитометры. Квантовый магнитометр (тесламетр) – прибор для измерения слабых магнитных полей, основанный на определении частоты квантового перехода парамагнитных частиц с одного зеемановского подуровня на другой, т. е. явлениях ЯМР, ЭПР и эффектах Ханле и Джозефсона.

Протонные ЯМР-магнитометры, реализующие свободную прецессию ядер, предназначены для измерения слабых полей. Магнитометры с вынужденной прецессией ядер используют для измерения более сильных (0,01–2,5 Тл) полей.

ЭПР-магнитометры.При резонансном поглощении энергии электромагнитного излучения образцом, находящимся в постоянном магнитном поле, имеет место сверхтонкое взаимодействие ядер образца и его неспаренных электронов. Такому взаимодействию соответствует расщепление линий на спектре ЭПР. Энергия неспаренных электронов, совершающих переходы между энергетическими уровнями, характеризует напряженность локального магнитного поля ядер, т. е. намагниченность образца.

Магнитометры Ханлеоснованы на эффекте Ханле, состоящем в зависимости интенсивности от направления и в уменьшении степени поляризации света резонансной частоты рассеянного атомами магнетика, помещенного в слабое магнитное поле.

СКВИД – сверхпроводящий квантовый магнитометр, принцип действия которого основан на эффекте Джозефсона. По чувствительности он превосходит прочие магнитометры на 2–3 порядка. СКВИД применяют для измерения магнитных полей биологических объектов, измерения магнитной восприимчивости веществ. Основным недостатком СКВИД является необходимость охлаждения сверхпроводящего контура до уровня гелиевых или водородных температур.

Магнитооптические и гальваномагнитные магнитометры. Принцип действия магнитооптических магнитометров основан на изменении оптических свойств веществ под воздействием магнитного поля, т. е. на эффектах Фарадея, Керра, Зеемана, Ханле.

Эффект Фарадея(1845 г.) состоит во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении его через вещество, помещенное в магнитное поле.

Эффект Керра(1875 г.) – магнитооптический эффект, состоящий в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится электрически поляризованным.

Эффект Зеемана (1896 г.) – расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле.

Магнитооптические магнитометры применяют в лабораторных исследованиях для измерения магнитной индукции слабых, средних и сильных магнитных полей (постоянных и переменных).

Гальваномагнитные магнитометры регистрируют эффекты, возникающие при одновременном воздействии на полупроводник электрического и магнитного полей, т. е. эффекта Холла (см. параграф 11.3) и магниторезистивного эффекта.

Магниторезистивный эффект, или магнетосопротивление, – изменение электрического сопротивления проводника под действием магнитного поля, вызванное искривлением в магнитном поле траекторий носителей заряда.

Для измерения магнитной индукции постоянных, переменных и импульсных полей применяют магнитометры с измерительными преобразователями на основе эффекта Холла. Тесламетры Холла применяют для контроля магнитных систем в электроизмерительных и электронных приборах. Магниторезистивные тесламетры используют для измерения сильных полей (более 1–2 Тл), в которых зависимость электрического сопротивления от магнитной индукции линейна.

Из совокупности магнитометров, основанных на других принципах, можно выделить магнитомеханические приборы. Их принцип действия, основанный на силовом взаимодействии измеряемого магнитного поля и постоянного магнита, реализован в конструкциях кварцевых и крутильных магнитометров, магнитных весов, магнитных теодолитов, астатических магнитометров. На новых физических принципах основаны волоконно-оптические магнитострикционные приборы; магнитометры, использующие магнитоупругие волны, которые возникают в ферро- и антиферромагнетиках из-за связи между магнитными и упругими свойствами вещества; магнитометры с измерительными преобразователями в виде тонких ферромагнитных пленок.

Магнитные эталоны. Эталон – измерительное устройство, служащее для воспроизведения, хранения и передачи шкалы измерения или единицы измерения какой-либо величины. Эти эталоны обеспечивают единство магнитных измерений.

Наблюдение магнитной доменной структуры. Для экспериментального наблюдения магнитной доменной структуры используют метод магнитной суспензии, электронную микроскопию и магнитную нейтронометрию (нейтронографию).

Метод магнитной суспензиипредложен в 1931 г. белорусским академиком Н. С. Акуловым и независимо от него немецким физиком Ф. Биттером. Он состоит в визуализации границ доменов путем нанесения на полированную поверхность ферромагнитного образца коллоидного раствора ферромагнетика, например, магнитной жидкости. Коллоидные частицы концентрируются на границах доменов, обрисовывая их контуры, которые рассматривают с помощью микроскопа.

Методом лоренцевой электронной микроскопии изучают явления, порожденные силой Лоренца. Ее часть, обусловленная действием магнитного поля образца, искривляет траекторию электронов. Это позволяет идентифицировать поля магнитных доменов в тонких пленках. С помощью электронной микроскопии можно регистрировать динамику перемещения стенок магнитных доменов, например, в процессе перемагничивания тонких магнитных пленок.

Магнитная нейтронография – метод исследования магнитной структуры кристаллов в процессе упругого когерентного рассеяния образцом медленных нейтронов, длина волны которых имеет порядок межатомных расстояний в кристалле (

10 –1 нм). Наличие у нейтронов магнитного момента приводит к тому, что наряду с рассеянием на атомных ядрах происходит так называемое магнитное рассеяние нейтронов, возникающее из-за взаимодействия магнитных моментов нейтрона и электронной оболочки атома.

Измерение электрических величин: единицы и средства, методы измерения

Понятие об измерениях

Измерение любой физической величины производится путем сравнения ее с некоторой величиной того же рода явлений, принятой в качестве единицы измерения. Результат, полученный при сравнении, представляется в численном виде в соответствующих единицах.

Эта операция осуществляется с помощью специальных средств измерения – технических приспособлений, взаимодействующих с объектом, те или иные параметры которого требуется измерить. При этом используются определенные методы – приемы, посредством которых проводится сравнение измеряемой величины с единицей измерения.

Существует несколько признаков, служащих основой для классификации измерений электрических величин по видам:

  • Количество актов измерения. Здесь существенна их однократность или многократность.
  • Степень точности. Различают технические, контрольно-поверочные, максимально точные измерения, а также равноточные и неравноточные.
  • Характер изменения измеряемой величины во времени. Согласно этому критерию измерения бывают статические и динамические. Путем динамических измерений получают мгновенные значения величин, меняющихся во времени, а статических – некоторые постоянные значения.
  • Представление результата. Измерения электрических величин могут быть выражены в относительной или в абсолютной форме.
  • Способ получения искомого результата. По данному признаку измерения делятся на прямые (в них результат получается непосредственно) и косвенные, при которых прямо измеряются величины, связанные с искомой величиной какой-либо функциональной зависимостью. В последнем случае искомая физическая величина вычисляется по полученным результатам. Так, измерение силы тока с помощью амперметра – это пример прямого измерения, а мощности – косвенного.

Средства измерения

Приспособления, предназначенные для измерения, должны обладать нормированными характеристиками, а также сохранять на протяжении определенного времени либо воспроизводить единицу той величины, для измерения которой они предназначены.

Средства измерения электрических величин подразделяются на несколько категорий в зависимости от назначения:

  • Меры. Данные средства служат для воспроизведения величины некоторого заданного размера – как, например, резистор, воспроизводящий с известной погрешностью определенное сопротивление.
  • Измерительные преобразователи, формирующие сигнал в форме, удобной для хранения, преобразования, передачи. Для непосредственного восприятия информация такого рода недоступна.
  • Электроизмерительные приборы. Эти средства предназначены для представления информации в доступной наблюдателю форме. Они могут быть переносными или стационарными, аналоговыми или цифровыми, регистрирующими или сигнализирующими.
  • Электроизмерительные установки представляют собой комплексы вышеперечисленных средств и дополнительных устройств, сосредоточенные в одном месте. Установки позволяют проводить более сложные измерения (например, магнитных характеристик или удельного сопротивления), служат как поверочные или эталонные устройства.
  • Электроизмерительные системы тоже являются совокупностью различных средств. Однако, в отличие от установок, приборы для измерения электрических величин и прочие средства в составе системы рассредоточены. С помощью систем можно измерять несколько величин, хранить, обрабатывать и передавать сигналы измерительной информации.

При необходимости решения какой-либо конкретной сложной измерительной задачи формируют измерительно-вычислительные комплексы, объединяющие ряд устройств и электронно-вычислительную аппаратуру.

Характеристики измерительных средств

Устройства измерительной аппаратуры обладают определенными свойствами, важными для выполнения их непосредственных функций. К ним относятся:

  • Метрологические характеристики, такие как чувствительность и ее порог, диапазон измерения электрической величины, погрешность прибора, цена деления, быстродействие и др.
  • Динамические характеристики, например амплитудные (зависимость амплитуды выходного сигнала прибора от амплитуды на входе) или фазовые (зависимость фазового сдвига от частоты сигнала).
  • Эксплуатационные характеристики, отражающие меру соответствия прибора требованиям эксплуатации в определенных условиях. К ним относятся такие свойства, как достоверность показаний, надежность (работоспособность, долговечность и безотказность аппарата), ремонтопригодность, электрическая безопасность, экономичность.

Совокупность характеристик аппаратуры устанавливается соответствующими нормативно-техническими документами для каждого типа устройств.

Применяемые методы

Измерение электрических величин производится посредством различных методов, которые также можно классифицировать по следующим критериям:

  • Род физических явлений, на основе которого измерение проводится (электрические или магнитные явления).
  • Характер взаимодействия измерительного средства с объектом. В зависимости от него различают контактные и бесконтактные методы измерения электрических величин.
  • Режим проведения измерения. В соответствии с ним измерения бывают динамическими и статическими.
  • Способ осуществления измерений. Разработаны как методы непосредственной оценки, когда искомая величина прямо определяется прибором (к примеру, амперметром), так и более точные методы (нулевые, дифференциальные, противопоставления, замещения), в которых она выявляется путем сравнения с известной величиной. В качестве приборов сравнения служат компенсаторы и электроизмерительные мосты постоянного и переменного тока.

Электроизмерительные приборы: виды и особенности

Измерение основных электрических величин требует большого разнообразия приборов. В зависимости от физического принципа, положенного в основу их работы, все они делятся на следующие группы:

  • Электромеханические приборы обязательно имеют в конструкции подвижную часть. К этой большой группе измерительных средств относятся электродинамические, ферродинамические, магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, индукционные приборы. Например, магнитоэлектрический принцип, применяющийся очень широко, может быть положен в основу таких устройств, как вольтметры, амперметры, омметры, гальванометры. На индукционном принципе основаны счетчики электроэнергии, частотомеры и т. д.
  • Электронные приборы отличаются наличием дополнительных блоков: преобразователей физических величин, усилителей, преобразователей и пр. Как правило, в приборах этого типа измеряемая величина преобразуется в напряжение, и конструктивной основой их служит вольтметр. Электронные измерительные приборы применяются в качестве частотомеров, измерителей емкости, сопротивления, индуктивности, осциллографов.
  • Термоэлектрические приборы сочетают в своей конструкции измерительное устройство магнитоэлектрического типа и термопреобразователь, образуемый термопарой и нагревателем, через который протекает измеряемый ток. Приборы этого типа используются в основном при измерениях высокочастотных токов.
  • Электрохимические. Принцип их работы базируется на процессах, которые протекают на электродах либо в исследуемой среде в межэлектродном пространстве. Применяются приборы этого типа для измерения электропроводности, количества электричества и некоторых неэлектрических величин.

По функциональным особенностям различают следующие виды приборов для измерения электрических величин:

  • Показывающие (сигнализирующие) – это устройства, позволяющие производить только непосредственное считывание измерительной информации, такие как ваттметры или амперметры.
  • Регистрирующие – приборы, допускающие возможность регистрации показаний, например, электронные осциллографы.

По типу сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. Если устройство вырабатывает сигнал, представляющий собой непрерывную функцию измеряемой величины, оно является аналоговым, например, вольтметр, показания которого выдаются при помощи шкалы со стрелкой. В том случае, если в устройстве автоматически вырабатывается сигнал в виде потока дискретных значений, поступающий на дисплей в численной форме, говорят о цифровом измерительном средстве.

Цифровые приборы имеют некоторые недостатки по сравнению с аналоговыми: меньшая надежность, потребность в источнике питания, более высокая стоимость. Однако их отличают и существенные преимущества, в целом делающие применение цифровых устройств более предпочтительным: удобство эксплуатации, высокая точность и помехоустойчивость, возможность универсализации, сочетания с ЭВМ и дистанционной передачи сигнала без потери точности.

Погрешности и точность приборов

Важнейшая характеристика электроизмерительного прибора – класс точности. Измерение электрических величин, как и любых других, не может производиться без учета погрешностей технического устройства, а также дополнительных факторов (коэффициентов), влияющих на точность измерения. Предельные значения приведенных погрешностей, допускаемые для данного типа прибора, называются нормированными и выражаются в процентах. Они и определяют класс точности конкретного прибора.

Стандартные классы, которыми принято маркировать шкалы измерительных устройств, следующие: 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. В соответствии с ними установлено разделение по назначению: приборы, принадлежащие к классам от 0,05 до 0,2, относятся к образцовым, классами 0,5 и 1,0 обладают лабораторные приборы, и, наконец, устройства классов 1,5–4,0 являются техническими.

При выборе измерительного прибора необходимо, чтобы он соответствовал по классу решаемой задаче, при этом верхний предел измерения должен быть как можно ближе к численному значению искомой величины. То есть чем большего отклонения стрелки прибора удается достичь, тем меньше будет относительная погрешность проводимого измерения. Если в распоряжении имеются только приборы низкого класса, выбирать следует такой, который обладает наименьшим рабочим диапазоном. Используя данные способы, измерения электрических величин можно провести достаточно точно. При этом также нужно учитывать тип шкалы прибора (равномерная или неравномерная, как, например, шкалы омметров).

Основные электрические величины и единицы их измерения

Чаще всего электрические измерения связаны со следующим набором величин:

  • Сила тока (или просто ток) I. Данной величиной обозначается количество электрического заряда, проходящего через сечение проводника за 1 секунду. Измерение величины электрического тока проводится в амперах (A) при помощи амперметров, авометров (тестеров, так называемых «цешек»), цифровых мультиметров, измерительных трансформаторов.
  • Количество электричества (заряд) q. Эта величина определяет, в какой мере то или иное физическое тело может являться источником электромагнитного поля. Электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кл (ампер-секунда) = 1 А ∙ 1 с. Приборами для измерения служат электрометры либо электронные зарядометры (кулон-метры).
  • Напряжение U. Выражает разность потенциалов (энергии зарядов), существующую между двумя различными точками электрического поля. Для данной электрической величины единицей измерения служит вольт (В). Если для того, чтобы из одной точки переместить в другую заряд в 1 кулон, поле совершает работу в 1 джоуль (то есть затрачивается соответствующая энергия), то разность потенциалов – напряжение – между этими точками составляет 1 вольт: 1 В = 1 Дж/1 Кл. Измерение величины электрического напряжения производится посредством вольтметров, цифровых либо аналоговых (тестеры) мультиметров.
  • Сопротивление R. Характеризует способность проводника препятствовать прохождению через него электрического тока. Единица сопротивления – ом. 1 Ом – это сопротивление проводника, имеющего напряжение на концах в 1 вольт, к току величиной в 1 ампер: 1 Ом = 1 В/1 А. Сопротивление прямо пропорционально сечению и длине проводника. Для измерения его используются омметры, авометры, мультиметры.
  • Электропроводность (проводимость) G – величина, обратная сопротивлению. Измеряется в сименсах (См): 1 См = 1 Ом -1 .
  • Емкость C – это мера способности проводника накапливать заряд, также одна из основных электрических величин. Единицей измерения ее служит фарад (Ф). Для конденсатора эта величина определяется как взаимная емкость обкладок и равна отношению накопленного заряда к разности потенциалов на обкладках. Емкость плоского конденсатора растет с увеличением площади обкладок и с уменьшением расстояния между ними. Если при заряде в 1 кулон на обкладках создается напряжение величиной 1 вольт, то емкость такого конденсатора будет равна 1 фараду: 1 Ф = 1 Кл/1 В. Измерение производят при помощи специальных приборов – измерителей емкости или цифровых мультиметров.
  • Мощность P – величина, отражающая скорость, с которой осуществляется передача (преобразование) электрической энергии. В качестве системной единицы мощности принят ватт (Вт; 1 Вт = 1Дж/с). Эта величина также может быть выражена через произведение напряжения и силы тока: 1 Вт = 1 В ∙ 1 А. Для цепей переменного тока различают активную (потребляемую) мощность Pa, реактивную Pra (не принимает участия в работе тока) и полную мощность P. При измерениях для них используют следующие единицы: ватт, вар (расшифровывается как «вольт-ампер реактивный») и, соответственно, вольт-ампер В∙А. Размерность их одинакова, и служат они для различения указанных величин. Приборы для измерения мощности – аналоговые или цифровые ваттметры. Косвенные измерения (например, с помощью амперметра) применимы далеко не всегда. Для определения такой важной величины, как коэффициент мощности (выражается через угол фазового сдвига) применяют приборы, называемые фазометрами.
  • Частота f. Это характеристика переменного тока, показывающая количество циклов изменения его величины и направления (в общем случае) за период в 1 секунду. За единицу частоты принята обратная секунда, или герц (Гц): 1 Гц = 1 с -1 . Измеряют данную величину посредством обширного класса приборов, называемых частотомерами.
Каждый электрик должен знать:  Проектирование КИХ-фильтра по методу частотной дискретизации

Магнитные величины

Магнетизм теснейшим образом связан с электричеством, поскольку и то, и другое представляют собой проявления единого фундаментального физического процесса – электромагнетизма. Поэтому столь же тесная связь свойственна методам и средствам измерения электрических и магнитных величин. Но есть и нюансы. Как правило, при определении последних практически проводится электрическое измерение. Магнитную величину получают косвенным путем из функционального соотношения, связывающего ее с электрической.

Эталонными величинами в данной области измерений служат магнитная индукция, напряженность поля и магнитный поток. Они могут быть преобразованы с помощью измерительной катушки прибора в ЭДС, которая и измеряется, после чего производится вычисление искомых величин.

  • Магнитный поток измеряют посредством таких приборов, как веберметры (фотогальванические, магнитоэлектрические, аналоговые электронные и цифровые) и высокочувствительные баллистические гальванометры.
  • Индукция и напряженность магнитного поля измеряются при помощи тесламетров, оснащенных преобразователями различного типа.

Измерение электрических и магнитных величин, состоящих в непосредственной взаимосвязи, позволяет решать многие научные и технические задачи, например, исследование атомного ядра и магнитного поля Солнца, Земли и планет, изучение магнитных свойств различных материалов, контроль качества и прочие.

Неэлектрические величины

Удобство электрических методов дает возможность успешно распространять их и на измерения всевозможных физических величин неэлектрического характера, таких как температура, размеры (линейные и угловые), деформация и многие другие, а также исследовать химические процессы и состав веществ.

Приборы для электрического измерения неэлектрических величин обычно представляют собой комплекс из датчика – преобразователя в какой-либо параметр цепи (напряжение, сопротивление) и электроизмерительного устройства. Существует множество типов преобразователей, благодаря которым можно измерять самые разные величины. Вот лишь несколько их примеров:

  • Реостатные датчики. В таких преобразователях при воздействии измеряемой величины (например, при изменении уровня жидкости или же ее объема) перемещается движок реостата, изменяя тем самым сопротивление.
  • Терморезисторы. Сопротивление датчика в аппаратах этого типа изменяется под воздействием температуры. Применяются для измерения скорости газового потока, температуры, для определения состава газовых смесей.
  • Тензосопротивления позволяют проводить измерения деформации проволоки.
  • Фотодатчики, преобразующие изменение освещенности, температуры либо перемещение в измеряемый затем фототок.
  • Емкостные преобразователи, используемые как датчики химического состава воздуха, перемещения, влажности, давления.
  • Пьезоэлектрические преобразователи работают по принципу возникновения ЭДС в некоторых кристаллических материалах при механическом воздействии на них.
  • Индукционные датчики основаны на преобразовании таких величин, как скорость или ускорение, в индуктированную ЭДС.

Развитие электроизмерительных средств и методов

Большое многообразие средств измерения электрических величин обусловлено множеством различных явлений, в которых эти параметры играют существенную роль. Электрические процессы и явления имеют чрезвычайно широкий диапазон использования во всех отраслях – нельзя указать такую область человеческой деятельности, где они не находили бы применения. Этим и определяется все более расширяющийся круг задач электрических измерений физических величин. Непрерывно растет разнообразие и совершенствование средств и методов решения этих задач. Особенно быстро и успешно развивается такое направление измерительной техники, как измерение неэлектрических величин электрическими методами.

Современная электроизмерительная техника развивается в направлении повышения точности, помехоустойчивости и быстродействия, а также все большей автоматизации измерительного процесса и обработки его результатов. Средства измерений прошли путь от простейших электромеханических приспособлений до электронных и цифровых приборов, и далее до новейших измерительно-вычислительных комплексов с использованием микропроцессорной техники. При этом повышение роли программной составляющей измерительных устройств является, очевидно, основной тенденцией развития.

Магнитные измерения

Измерения характеристик магнитного поля или магнитных свойств веществ (материалов). К измеряемым характеристикам магнитного поля относятся: вектор магнитной индукции (См. Магнитная индукция) В, напряжённость поля Н, поток вектора индукции (Магнитный поток), градиент магнитного поля и другие. Магнитное состояние вещества определяется: Намагниченностью J — величиной результирующего магнитного момента, отнесённого к единице объёма (или массы) вещества; магнитной восприимчивостью (См. Магнитная восприимчивость) χ, магнитной проницаемостью (См. Магнитная проницаемость) μ, магнитной структурой (См. Магнитная структура). К важнейшим характеристикам наиболее распространённых магнитных материалов — ферромагнетиков (См. Ферромагнетики) относятся: кривые индукции В (Н) и намагничивания J (Н), то есть зависимости В и J от напряжённости поля Н, Коэрцитивная сила, потери энергии на перемагничивание (см. Гистерезис), максимальная магнитная энергия единицы объёма (или массы), Размагничивающий фактор (коэффициент размагничивания) ферромагнитного образца.

Для измерения магнитных характеристик применяют следующие методы: баллистический, магнитометрический, электродинамический, индукционный, пондеромоторный, мостовой, потенциометрический, ваттметровый, калориметрический, нейтронографический и резонансный.

Баллистический метод основан на измерении баллистическим гальванометром количества электричества, индуктируемого в измерительной катушке при быстром изменении сцепленного с ней магнитного потока (см. Баллистический метод электроизмерений). Кроме баллистических гальванометров, для измерения магнитного потока применяют веберметры (Флюксметры) магнитоэлектрические и фотоэлектрические. Веберметрами можно измерять медленно меняющиеся потоки. Баллистическим методом определяют основную кривую индукции В (Н), кривую намагничивания J (H), петлю гистерезиса, различные виды проницаемости и размагничивающий фактор ферромагнитных образцов.

Магнитометрический метод основан на воздействии исследуемого намагниченного образца на расположенную вблизи него магнитную стрелку. По углу отклонения магнитной стрелки от начального положения определяют магнитный момент образца. Далее можно вычислить J, В и Н. Таким образом, метод даёт возможность найти зависимости В (Н) и J (H), петлю гистерезиса и магнитную восприимчивость. Благодаря высокой чувствительности магнитометрического метода его широко применяют для измерений геомагнитного поля и для решения ряда метрологических задач.

Иногда для определения характеристик магнитного поля, в частности в промышленных условиях, применяют электродинамический метод, при котором измеряют угол поворота катушки с током под действием магнитного поля намагниченного образца. К преимуществам метода относится возможность градуирования шкалы прибора непосредственно в единицах измеряемой величины (В или Н).

Для исследования ферромагнитных веществ в широком интервале значений Н используются индукционный и пондеромоторный методы. Индукционный метод позволяет определять кривые В (Н), J (H), петлю гистерезиса и различные виды проницаемости. Он основан на измерении эдс индукции, которая возбуждается во вторичной обмотке при пропускании намагничивающего переменного тока через первичную обмотку образца. Метод может быть также использован для измерения намагниченности в сильных импульсных магнитных полях и магнитной восприимчивости диа- и парамагнитных веществ в радиочастотном диапазоне.

Пондеромоторный метод состоит в измерении механической силы, действующей на исследуемый образец в неоднородном магнитном поле. Особенно широко метод применяется при исследовании магнитных свойств слабомагнитных веществ. На основе этого метода созданы разнообразные установки и приборы для М. и.: маятниковые, крутильные и рычажные Магнитные весы, весы с использованием упругого кольца и другие. Метод применяется также при измерении магнитной восприимчивости жидкостей и газов, намагниченности ферромагнетиков и магнитной анизотропии (см. Анизометр магнитный).

Мостовой и потенциометрический методы определения магнитных характеристик в большинстве случаев применяются для измерений в переменных магнитных полях в широком диапазоне частот. Они основаны на измерении параметров (индуктивности L и активного сопротивления r)электрической цепи с испытуемыми ферромагнитными образцами. Эти методы позволяют определять зависимости В (Н), J (H), составляющие комплексной магнитной проницаемости и комплексного магнитного сопротивления в переменных полях, потери на перемагничивание.

Наиболее распространённым методом измерения потерь на перемагничивание является ваттметровый метод, им пользуются при синусоидальном характере изменения во времени магнитной индукции. При этом методе с помощью Ваттметра определяется полная мощность в цепи катушки, используемой для перемагничивания образца. Ваттметровый метод стандартизован для испытания электротехнических сталей.

Абсолютным методом измерения потерь в ферромагнитных материалах является калориметрический метод, который используется в широком частотном диапазоне. Он позволяет измерять потери при любых законах изменения напряжённости магнитного поля и магнитной индукции и в сложных условиях намагничивания. Сущность этого метода состоит в том, что мерой потерь энергии в образце при его намагничивании переменным магнитным полем является повышение температуры образца и окружающей его среды. Калориметрические М. и. осуществляются методами смешения, ввода тепла и протока (см. Калориметр).

Магнитную структуру (См. Магнитная структура) ферромагнитных и антиферромагнитных веществ исследуют с помощью нейтронографического метода, основанного на явлении магнитного рассеяния нейтронов, возникающего в результате взаимодействия магнитного момента нейтрона с магнитными моментами частиц вещества (см. Нейтронография).

Резонансные методы исследования включают все виды магнитного резонанса (См. Магнитный резонанс) резонансного поглощения энергии переменного электромагнитного поля электронной или ядерной подсистемой вещества. Эти подсистемы, кроме электромагнитной энергии, могут резонансно поглощать энергию звуковых колебаний — так называемый магнетоакустический парамагнитный резонанс, который также применяют в М. и.

Важную область М. и. составляют измерения характеристик магнитных материалов (ферритов (См. Ферриты), магнитодиэлектриков (См. Магнитодиэлектрики) и др.) в переменных магнитных полях повышенной и высокой частоты (от 10 кгц до 200 Мгц). Для этой цели применяют в основном ваттметровый, мостовой и резонансный методы. Измеряют обычно потери на перемагничивание, коэффициент потерь на гистерезис и вихревые токи, компоненты комплексной магнитной проницаемости. Измерения осуществляют при помощи Пермеаметра, аппарата Эпштейна, Феррометра и других устройств, позволяющих определять частотные характеристики материалов.

Существуют и другие методы определения магнитных характеристик (магнитооптический, в импульсном режиме перемагничивания, осциллографический, метод вольтметра и амперметра и другие), позволяющие исследовать ряд важных свойств магнитных материалов.

Приборы для М. и. классифицируют по их назначению, условиям применения, по принципу действия чувствительного элемента (датчика, или преобразователя). Приборы для измерения напряжённости поля, индукции и магнитного момента обычно называют Магнитометрами, для измерения магнитного потока — флюксметрами или веберметрами; потенциала поля — магнитными потенциалометрами (См. Магнитный потенциалометр), градиента — градиентометрами; коэрцитивной силы — Коэрцитиметрами и так далее. В соответствии с классификацией методов М. и. различают приборы, основанные на явлении электромагнитной индукции, гальваномагнитных явлениях (См. Гальваномагнитные явления), на силовом (пондеромоторном) действии поля, на изменении оптических, механических, магнитных и других свойств материалов под действием магнитного поля (см., например, Феррозонд), на специфических квантовых явлениях (см. Квантовый магнитометр). Единая классификация приборов для М. и. не разработана.

Лит.: Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс), под редакцией Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Кифер И. И., Пантюшин В. С., Испытания ферромагнитных материалов, М. — Л., 1955; Чечерников В. И., Магнитные измерения, 2 изд., М., 1969; ГОСТ 12635-67. Методы испытаний в диапазоне частот от 10 кгц до 1 Мгц, ГОСТ 12636-67. Методы испытаний в диапазоне частот от 1 до 200 Мгц.

Методы и средства измерения электрических величин

Измерение тока, постоянного напряжения, мощности в цепях и активного сопротивления. Фиксирование разности фаз сигналов. Основные источники погрешностей и оценка конечных результатов измерений. Совокупность явлений, использующихся для получения оценок.

Рубрика Физика и энергетика
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 18.01.2020
Размер файла 1,9 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

По дисциплине: «Учет и контроль электроэнергии»

Кафедра «Систем электроснабжения предприятий»

Специальность: 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника

На тему: «Методы и средства измерения электрических величин»

Выполнил: Горин Д.А. Группа ЭЭМз-61

Проверил работу: ст.преп. Шевцов Д.А.

1. Цепи постоянного тока

1.1 Измерение тока

1.2 Измерение постоянного напряжения

1.3 Измерение мощности в цепях постоянного тока

1.4 Измерение активного сопротивления

2. Цепи переменного тока

2.1 Измерение действующего значения тока

2.2 Измерение действующего значения напряжения

2.3 Мощность в цепи переменного тока и коэффициент мощности

2.4 Измерение разности фаз сигналов

3. Краткие сведения о погрешностях измерений

3.1 Погрешность измерений

3.2 Основные источники погрешностей

3.3 Оценка конечных результатов измерений

Список используемой литературы

Задача измерения электрических величин в электротехнике многопланова. Следовательно, разработчику аппаратуры или исследователю необходимо:

1) определить совокупность физических явлений, которые можно использовать для получения оценок этих величин;

2) нужно проанализировать преимущества и проблемы практической реализации того или иного метода измерений;

3) выбрать конкретный способ измерений и соответствующие средства измерений, которые позволят наилучшим образом решить задачу;

Разнообразие измерительных приборов — как универсальных, так и специализированных, обеспечивающих получение результата с известной погрешностью в различных условиях их применения, вызывает трудности при построении измерительных схем даже у опытных специалистов. Для тех же, кто впервые знакомиться с этой проблемой, важно понять основные принципы функционирования измерительных приборов и знать особенности их применения. Большинство таких приборов, получили названия в соответствии с известными названиями измеряемых величин — амперметр, вольтметр, ваттметр, омметр, хотя есть и осциллограф и авометр — универсальный прибор, обеспечивающий измерение токов, напряжений и сопротивлений [1].

Постоянным электрическим током называют упорядоченное направленное движение электрических частиц. Из этого следует знать, что электрические цепи, в которых величина тока не изменяется по времени, называют цепями постоянного тока.

Ток — величина непосредственно измеряема. Единица измерения в системе СИ — Ампер [A].

Метод измерения величины постоянного тока является первым и наиболее распространенным до настоящего времени. Этот метод измерения делится на прямой и косвенный. Прямым методом считается измерение величины постоянного тока путем оценки степени взаимодействия магнитного поля, создаваемого проводником, по которому протекает ток, и магнитное поле с известной индукцией.

Косвенный метод измерения тока основан на измерении падения напряжения на образцовом сопротивлении, включаемом в разрыв цепи. Очевидно, что в этом случае свойства цепи несколько изменяются. В целях обеспечения минимального влияния на величину протекающего в цепи тока величина образцового сопротивления должна выбираться малой.

Амперметр — прибор, измеряющий силу тока. Существует несколько видов данного прибора. Рассмотрим некоторые из них.

Амперметр с датчиком на основе эффекта Холла

Эффект Холла — явление возникновения разности потенциалов на краях поперечного сечения проводника с протекающим в нем током, наблюдающееся при помещении этого проводника в магнитное поле.

Данный эффект был открыт в 1879 г. американским физиком Эдвином Г. Холлом в тонких пластинках золота. Открытие основано на отклонении траектории движения носителей заряда от прямолинейной за счет воздействия на них силы Лоренца. Следовательно, в результате такого движения заряженных частиц у одной боковой грани проводника скапливаются положительно зараженные частицы, а у противоположной грани — отрицательно заряженные и возникает разность потенциалов, которую называют холловским напряжением. На рисунке 1.1 изображен датчик Холла, с помощью которого проводится измерение тока I в проводнике.

Рисунок 1.1 — измерение тока I в проводнике с помощью датчика Холла

Поскольку протекание тока через проводник сопровождается возникновением магнитного поля ([B]

I), установив рядом с проводником датчик на основе эффекта Холла (часто говорят — «датчик Холла»), по величине холловского напряжения Uн можно судить о напряженности магнитного поля и, следовательно, о величине тока в проводнике I. Важным преимуществом амперметра c датчиком на основе эффекта Холла является малая величина внутреннего сопротивления такого прибора, которое определяется собственным сопротивлением отрезка проводника, по которому протекает ток I .

Развитие микроэлектроники привело к широкому распространению измерительных приборов с цифровой индикацией результата измерений. Эти приборы получили название цифровых измерительных приборов. На рисунке 1.2 показано изображение мини цифрового амперметра постоянного тока 10А.

Рисунок 1.2 — мини цифровой амперметр

Они, как правило, содержат преобразователь измеряемой величины в аналоговый электрический сигнал, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий преобразование величины напряжения на его входе в двоичный цифровой код, соответствующий этой величине, и цифро-знаковый дисплей, на котором отображаются результаты измерений.

Структурная схема простейшего цифрового амперметра, реализующего косвенный метод измерения тока, представлена на рисунке 1.3. В качестве преобразователя измеряемой величины в аналоговый электрический сигнал используется высокоточный низкоомный резистор R0 , величина которого составляет доли Ома, а максимальная рассеиваемая мощность выбрана такой, чтобы при протекании через него максимально допустимого измеряемого тока сопротивление нагревалось незначительно. Выполнение условие ограниченного нагрева резистора необходимо для обеспечения постоянства погрешности измерений тока.

Рисунок 1.3 — структурная схема цифрового амперметра: 1 — усилитель,

2 — АЦП, 3 — цифровой индикатор, 4 — источник питания

Также следует помнить, что сопротивление резистора и емкость конденсатора зависят от температуры окружающей среды. Если температура резистора неизменна, . Если резистор R0 нагревается от температуры до некоторой температуры T, , где — температурный коэффициент сопротивления [], определяемый материалом, из которого изготовлен резистор. Очевидно, что во втором случае возникнет дополнительная погрешность оценки величины тока, протекающего через резистор. Прибор такого типа нуждается в применении внешнего дополнительного источника электрической энергии — батареи, аккумулятора или электросети.

1.2 Измерение постоянного напряжения

Напряжение является величиной непосредственно измеряемой. Единица измерения в системе СИ — Вольт [В]. Также, следует знать, что под напряжением между двумя точками цепи понимают разность потенциалов между этими точками. Напряжение измеряют с помощью устройства Вольтметра. Вольтметр бывает нескольких типов:

1) Электростатический вольтметр;

2) Стрелочный вольтметр магнитоэлектрического типа;

3) Цифровой вольтметр.

В данной работе рассмотрим стрелочный и цифровой вольтметр.

Стрелочный вольтметр магнитоэлектрического типа

Принцип действия такого прибора основан на использовании закона Ома. К точкам электрической цепи, разность потенциалов между которыми должна быть измерена, подключаются последовательно соединенные образцовое сопротивление (которое обычно называют добавочным) и магнитоэлектрический измеритель тока. Данный вольтметр показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Стрелочный вольтметр магнитоэлектрического типа

Величина тока в измерительной цепи определяется выражением

где сопротивление обмоточного провода рамки и токоведущих шин магнитоэлектрического механизма. Поскольку угол отклонения его стрелки пропорционален величине тока , > , схема, приведенная на рис. 3.1(a), обеспечит меньшие погрешности при измерении больших сопротивлений R, а схема, приведенная на рис. 3.1(б) — при измерении малых сопротивлений. В остальных случаях следует поочередно использовать обе схемы для обеспечения точного измерения величин и .

Погрешность квантования — имеет место в средствах измерения или методах, использующих эту процедуру — цифровых измерительных приборах, аппроксимационных методах измерений и т.п.

Погрешность средства измерения — составляющая погрешности измерений, обусловленная несовершенством средства измерений (прибора).

Погрешность наблюдения — погрешность, возникающая при наблюдении положения стрелки стрелочного прибора, визуального определения параметров осциллограммы и т.д. Зависит, прежде всего, от квалификации оператора. Её составляющие — погрешность считывания, погрешность интерполяции (неточное определение дробной части деления шкалы) и др.

3.3 Оценка конечных результатов измерений

В результате обработки серии измеренных значений различают следующие три вида погрешностей. На рисунке 3.2 представлены различные погрешности результатов измерений.

Рисунок 3.2 — различные погрешности результатов измерений

Погрешность грубая (промах) — погрешность измерений, значительно превосходящая по значению ожидаемую при данных условиях измерений. Основной источник таких погрешностей — ошибки оператора или дефекты измерительного прибора. Наличие этих погрешностей выявляется при обработке результатов измерений показанных на рисунке 3.2(а), после чего эти результаты исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Погрешность систематическая — обусловлена несовершенством средства измерений и метода измерений (рис. 3.2,б).

Погрешность случайная — причиной возникновения этой погрешности являются непредвиденные изменения параметров исследуемой цепи, средства измерений, окружающей среды (рис. 3.2,в) [7].

В ходе изучения и написания реферата были рассмотрены измерения в цепях постоянного и переменного тока. Рассмотрены множество разновидностей приборов измеряющих электрические величины. Были приведены структурные схемы, схемы включения приборов в цепях переменных и постоянных токов, схемы электрические принципиальные и т.п. В конце данной работы были рассмотрены виды погрешностей, их источники и оценки.

Список используемой литературы

1. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс) / Дьяченко К.П., Зорин Д.И., Новицкий П.В. и др. Под ред. Е.Г. Шрамкова. — М.: Высш. школа, 1972. — 520 с.

2. Электрические измерения: Учебник для вузов. / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М. и др. — Л.: Энергия, 1980. — 392 с.

3. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов / Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. и др. Под ред. Е.М. Душина. — Л.: Энергоатомиздат, 1987. — 480 с.

4. Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков. Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 288 с.

5. Жаворонков М.А. Электротехника и электроника. — М.: Издательский центр «Академия», 2005 г.

6. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. — М.: Мир, 1990. — 535 с.

7. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. — М.: Издательство стандартов, 1991. — 176 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Напряжение, ток, мощность, энергия как основные электрические величины. Способы измерения постоянного и переменного напряжения, мощности в трехфазных цепях, активной и реактивной энергии. Общая характеристика электросветоловушек для борьбы с насекомыми.

контрольная работа [2,2 M], добавлен 19.07.2011

Определение абсолютной, относительной и приведенной погрешностей. Компенсаторы постоянного тока, их назначение и принцип работы. Измерение мощности ваттметрами с применением измерительных трансформаторов тока и напряжения в однофазных и трехфазных цепях.

контрольная работа [766,5 K], добавлен 08.01.2011

Прямые и косвенные измерения напряжения и силы тока. Применение закона Ома. Зависимость результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора. Определение абсолютной погрешности косвенного измерения величины постоянного тока.

лабораторная работа [191,6 K], добавлен 25.01.2015

Измерение электрических величин: мощности, тока, напряжения. Область применения электроизмерительных приборов. Отличие прямых и косвенных измерений. Требования к измерительному прибору. Схема включения амперметра, вольтметра. Расчет сопротивления цепи.

лабораторная работа [48,0 K], добавлен 24.11.2013

Магнитоэлектрические измерительные механизмы. Метод косвенного измерения активного сопротивления до 1 Ом и оценка систематической, случайной, составляющей и общей погрешности измерения. Средства измерения неэлектрической физической величины (давления).

курсовая работа [407,8 K], добавлен 29.01.2013

Измерение мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний электрических сигналов. Диагностирование мощности колебаний сверхвысокочастотного излучения ваттметрами (поглощающего типа и проходящей мощности). Основные цифровые методы измерения мощности.

контрольная работа [365,0 K], добавлен 20.09.2015

Аналитические выражения как основа методов измерений мощности и энергии в цепях постоянного и однофазного тока. Характеристика и устройство приборов, использование электродинамических и ферродинамических механизмов. Измерение энергии в трехфазных цепях.

курсовая работа [883,3 K], добавлен 10.05.2012

Элементы теории погрешностей. Поправка на систематическую погрешность. Среднее арифметическое ряда независимых измерений напряжения. Измерение тока и напряжения. Относительная погрешность размаха импульсов. Применение электронно-лучевого осциллографа.

контрольная работа [196,1 K], добавлен 17.01.2012

Понятие и разновидности электрических схем, их отличительные признаки, изображение тех или иных предметов. Идеальные и реальные источники напряжения и тока. Законы Ома и Кирхгофа для цепей постоянного тока. Баланс мощности в цепи постоянного тока.

презентация [1,5 M], добавлен 25.05.2010

Эталоны и меры электрических величин. Назначение, устройство, режим работы и применение измерительного трансформатора тока. Образцовые катушки индуктивности. Измерение сопротивления изоляции электроустановок, находящихся под рабочим напряжением.

контрольная работа [2,1 M], добавлен 05.11.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

Добавить комментарий