ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 3 страница

Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют методы амперметра и вольтмет­ра, а также компенсационного метода.

Метод амперметра и вольтметра. В этом случае при­боры включаются по двум схемам (рис. 3.1).

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом суще­ственных недостатков: необходимостью снимать показания по двум

а б Рис. 3.1. Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и ам­перметра при различных сопротивлениях нагрузки: а — малых; б — больших

приборам, необходимостью производить вычисления, невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов.

Мощность Р_х, вычисленная по показаниям приборов (см. рис. 3.1, а), имеет вид

Р_х = U_VI_A = U(I_V + /_н) = UI_V + UI_H = Ру+ Р_н.

Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Р_н, на значение мощности потребления вольтметра Р_у, т.е. Р_и = Р ~Р_у.

Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопро­тивление нагрузки.

Мощность Р_х, вычисленная по показаниям приборов (см. рис. 3.1, б), имеет вид

Рх = U_VI_A = (U_{A +} U_H)I= U_AI + U_HI= P_A + P_H.

Она больше действительного значения мощности потребления на­грузки на значение мощности потребления амперметром Р_А. Ме­тодическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопро­тивление амперметра и больше сопротивление нагрузки.

Компенсационный метод. Данный метод применяют тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряют ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность опре­деляется по формуле

Р = U_HI_H. (3.4)

При прямом измерении активная мощность измеряется элек­тромеханическими (электродинамическими и ферродинамически- ми), цифровыми и электронными ваттметрами.

Электродинамические ваттметры используют как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1...2,5) в цепях постоянного и переменного токов частотой до нескольких тысяч герц; ферродинамические (щитовые) ваттметры — в це-

Пях переменного тока в основном про­мышленной частоты (класс 1,5...2,5).

В широком диапазоне частот приме­няют цифровые ваттметры, основу ко­торых составляют различные преобразо­ватели мощности (например термоэлек­трические), УПТ, микропроцессор и ЦОУ. В цифровых ваттметрах осущест­вляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предус­мотрен внешний интерфейс.

Для измерения мощности в высоко­частотных цепях служат специальные и электронные ваттметры; для измерения реактивной мощности на низких часто­тах — реактивные ваттметры (варметры), в которых путем исполь­зования специальных схем отклонение подвижной части электро­динамического ИМ пропорционально реактивной мощности.

Включение электромеханических ваттметров непосредственно в электрическую цепь допустимо при токах нагрузки, не превы­шающих 10...20 А, и напряжениях до 600 В. Мощность при боль­ших токах нагрузки и в цепях высокого напряжения измеряется ваттметром с измерительными трансформаторами тока ТА и на­пряжения 7У(рис. 3.2).

Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока. Ме­тод одного ваттметра. Этот метод применяют только в сим­метричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами 7 и £/ и с полной симмет­рией напряжений (рис. 3.3). На рис. 3.3, а нагрузка соединена звез­дой и нулевая точка доступна. На рис. 3.3, 6 нагрузка соединена треугольником и ваттметр включен в фазу.

Рис. 3.2. Схема включения электродинамического ваттметра через измери­тельные трансформаторы тока и напряжения

На рис. 3.3, в нагрузка соединена треугольником с искусствен­ной нулевой точкой. Искусственная нулевая точка создается с по­
мощью двух резисторов, каждый из которых равен сопротивле нию цепи обмотки напряжения ваттметра (указывается в техни ческом паспорте на ваттметр).

Показания ваттметра будут соответствовать мощности одном фазы, а мощность трехфазной сети во всех трех случаях включе ния прибора будет равна мощности одной фазы, умноженной h;i три, т.е. Р= 3РЖ

Метод двух в аттм е тр о в. Этот метод применяют в трех фазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения п характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Асимметрия — это система, в которой мощ­ности отдельных фаз различны. Токовые обмотки ваттметров вклю чаются в любые две фазы, а обмотки напряжения — на линейные напряжения (рис. 3.4).

Полная мощность может быть выражена в виде суммы показа­ний двух ваттметров. Так, для схемы, приведенной на рис. 3.4, а,

р= р_{1 +} р₂ = ци_пс os¥, + I₃U₃₂c osW₂,

где H'j — угол сдвига фаз между током /, и линейным напряжени­ем U_n\ W₂ — угол сдвига фаз между током /₃ и линейным напря­жением U₃₂.

В частном случае при симметричной системе напряжений и оди­наковой нагрузке фаз — = 30° - ф и W₂ = 30° - ср — показания ваттметров будут:

Р, = /,U_ncos(30° - ф); Р₂ = I₃U₃₂cos(30° + <р).

При активной нагрузке (ф = 0) показания будут одинаковы, так как = Р_г = IU cos 30°.

При нагрузке с углом сдвига 60° показания второго ваттметра равны нулю, так как Р₂ = IU cos (30° + ф) = IU cos (30° + 60°) = 0, и в этом случае мощность трехфазной цепи измеряется одним ватт­метром.

Рис. 3.4. Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь: а — в 1-ю и 3-ю фазы; б — в 1-ю и 2-ю; в — во 2-ю и 3-ю

При нагрузке с углом сдвига ф больше 60° мощность, измеряе­мая вторым ваттметром, будет отрицательной, так как (30° + ф)
больше 90°. В этом случае подвижная часть ваттметров повернется Ц обратную сторону. Для отсчета необходимо изменить на 180° фазу Гока в одной из цепей ваттметра. В этом случае мощность цепи Трехфазного тока равна разности показаний ваттметров:

Р = Л + (~р₂) = р_х- р₂.

Метод трех ваттметров. Для измерения мощности трех­фазной цепи при несимметричной нагрузке включают три ватт- Метра. В этом случае общая мощность при наличии нулевого про­вода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттмет­ров. Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания Ваттметра независимо от характера нагрузки будут положитель­ные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, Т.е. между линейным проводом и нулевым).

Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, То параллельные цепи приборов могут образовать искусственную Нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны Между собой.

Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях. Несмотря на то, что реактивная мощность не определяет Ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощ­ности приводит к дополнительным потерям электрической энер­гии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактив­ная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) как в однофазных, так и в трехфазных трехпроводных и четырехпро- водных цепях переменного тока электродинамическими и фер- родинамическими или специально предназначенными для изме­рения реактивной мощности ваттметрами. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложнен­ную схему параллельной цепи с целью получения сдвига по фазе, равного 90°, между векторами тока и напряжения этой цепи. Тог­да отклонение подвижной части будет пропорционально реактив­ной мощности Р_р = £/7sin ф. Реактивные ваттметры преимуществен­но применяются для лабораторных измерений и поверки реак­тивных счетчиков.

Измерение мощности в цепях повышенной частоты. С этой це­лью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем непосредственно мощность. Прямые измерения мощности в це­пях повышенных и высоких частот осуществляются термоэлек­трическими, электронными ваттметрами, ваттметрами, основан­ными на эффекте Холла, цифровыми ваттметрами; косвенные измерения — осциллографическим методом. Данный метод при­меняют в основном тогда, когда цепь питается напряжением не­
синусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных ис точниках напряжения и т.д.

Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергии > измеряют электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрическом энергии обладают лучшими метрологическими характеристика ми, большей надежностью и являются перспективными средства ми измерений электрической энергии.

3.4. ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ И ЧАСТОТЫ

Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в опре деленный момент времени /. Фазовый угол в начальный момет времени (начало отсчета времени), т.е. при t- 0, называют нуле­вым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз Д ф измеряют обыч но между током и напряжением, либо между двумя напряжени­ями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной созф или коэффициентом мощности; cos ф — это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом Дф двух гармонических сигналов одинаковой частоты на­зывают модуль разности их начальных фаз: Дф = |ф-ф|. Фазовый сдвиг Дф не зависит от времени, если остаются неизменными на чальные фазы ф, и ф₂. Разность фаз выражается в радианах или градусах.

Методы измерения угла сдвига фаз. Эти методы зависят от ди­апазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и наличия СИ. Различают косвенное и прямое измерения угла сдви­га фаз.

Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз между напряжением U и током / в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, ампер­метра и ваттметра (рис. 3.5). Угол ф определяется расчетным путем из найденного значения С05ф:

Ф = arccos [P/(UI)].

Метод используется обычно на промышленной частоте и обе-

спечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызван­ной собственным потреблением при­боров. Метод достаточно прост, на-

дежен, экономичен.

В трехфазной симметричной цепи Рис. 3.5. Измерение угла сдви- величину cos ф можно определить пу- га фаз методом трех приборов _тем измерения:

• мощности, тока и напряжения одной фазы;

• активной мощности методом двух ваттметров;

• реактивной мощности методом двух ваттметров с искусст­венной нейтральной точкой.

Среди осциллографических методов измерения фазы наиболее распространены методы линейной развертки и эллипса. Осцил- лографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используют в ши­роком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измере­ниях (5... 10%). Метод линейной развертки предполагает приме­нение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вер­тикальные пластины — напряжение, между которыми измеряет­ся фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получа­ем изображение двух напряжений (рис. 3.6, а), и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляем угол сдвига между ними:

<р_х = АБ 360°/АС,

где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через ноль по оси х; АС — отрезок, соответствующий периоду.

Погрешность измерения ц>_х зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа.

Если вместо линейной развертки использовать синусоидаль­ное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигу­ры Лиссажу при равных частотах исследуемых напряжений дают на экране осциллографа изображение эллипса (рис. 3.6, б). Угол сдвига ф_г = arcsin(AB/Br).

Этот метод позволяет измерять ф_х в пределах 0 ...90° без учета знака фазового угла.

Погрешность измерения ф_х также определяется погрешностью отсчета и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Хи У осцил­лографа.

Рис. 3.6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осцил­лографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) разверт­ках

Применяя компенсатор перемен­ного тока с калиброванным фазо­вращателем и электронным осциллографом в качестве индика­тора равенства фаз, можно произ­вести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность изме­рения в этом случае определяется в основном погрешностью использу­емого фазовращателя.

Прямое измерение. Прямое измерение угла сдвига фаз осущест­вляют с помощью электродинами-

4 Ранне»
ческих, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров.

Наиболее часто из электромеханических фазометров исполь­зуют электродинамические и электромагнитные логометрическис фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Диапазон частот: от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности: 0,2; 0,5. Для них характер­на большая потребляемая мощность 5... 10 Вт.

В трехфазной симметричной цепи угол сдвига фаз ф или cos ф измеряют однофазным или трехфазным фазометром.

Цифровые фазометры используют в маломощных цепях в ди­апазоне частот от единиц герц до 150 МГц; классы точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазо­метрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются элек­тронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности фор­мирования и передачи временного интервала.

Методы измерения частоты. Частота — одна из важнейших ха­рактеристик периодического процесса, определяемая числом пол­ных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблет­ся от долей герц до десятков гигагерц. Весь спектр частот делится на два диапазона — низкие и высокие.

Низкие частоты: инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые — 20...20 000 Гц; ультразвуковые — 20...200 кГц. Высокие частоты: высокие — 200 кГц...30 МГц; ультравысокие — 30...300 МГц.

Выбор метода измерения частоты зависит от диапазона изме­ряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия СИ и т.д.

Прямое измерение. Метод основан на применении элек­тромеханических, электронных и цифровых частотомеров.

В электромеханических частотомерах используют измеритель­ный механизм электромагнитной, электродинамической и фер- родинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Такие частотомеры про­сты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Диапазон частот: 20... 2500 Гц. Классы точно­сти: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.

Электронные частотомеры применяют при измерениях в час­тотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0,5 ... 200 В. Они имеют большое входное сопро­тивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности: 1,0; 0,5 и ниже.

Цифровые частотомеры применяют для очень точных измере­ний. Диапазон частот: 0,01 Гц... 17 ГГц. Источником погрешности является погрешность от дискретности и нестабильности кварце­вого генератора.

Мостовой метод измерения частоты. Метод осно­ван на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распрос­траненной мостовой схемой для измерения частоты служит емко­стной мост. Данный метод применяют для измерения низких час­тот в пределах 20 Гц...20 кГц, погрешность измерений 0,5... 1 %.

Косвенное измерение. Метод осуществляется с исполь­зованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фи­гурам Лиссажу) и методом круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц... 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является слож­ность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10, и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет уста­новления истинного отношения частот. При методе круговой раз­вертки погрешность измерения в основном определяется погреш­ностью квантования образцовой частоты.

Контрольные вопросы

1. Приборы каких систем можно использовать для измерения посто­янного тока и напряжения?

2. Какими приборами осуществляются:

а) прямые измерения малых токов и напряжений;

б) косвенные измерения малых токов и напряжений;

в) прямые измерения малых количеств электричества;

г) прямые измерения больших количеств электричества;

л) прямые измерения больших постоянных токов и напряжений?

3. Приборы каких систем можно использовать для измерения пере­менного тока и напряжения?

4. В чем сущность прямых и косвенных измерений:

а) малых и больших переменных токов;

б) малых и больших переменных напряжений;

в) мощности в цепях постоянного тока;

г) мощности в цепях переменного тока;

л) фазы;

е) частоты?

5. Приведите схемы включения индукционных счетчиков электриче­ской энергии в однофазных и трехфазных цепях.

ГЛАВА 4 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

4.1. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОСТОЯННОМУ

ТОКУ

Основными параметрами цепей с сосредоточенными постоян ными являются: сопротивления резисторов, емкость конденсато ров, тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторов, индук тивность и добротность катушек, взаимная индуктивность двух ка­тушек. При выборе метода и средства для измерения этих парамет ров следует учитывать их зависимость от частоты тока, температу ры, влажности, внешних электрических и магнитных полей и т. д

Весь диапазон измеряемых сопротивлений условно разделен на поддиапазоны: малые сопротивления — 10 нОм... 10 Ом; сред ние — 10 Ом... 1 МОм; большие — свыше 1 МОм.

Выбор средств и метода измерения зависит от значений сопро­тивления, условий измерения, требуемой мощности и т.д.

При косвенных измерениях разных сопротивлений R_x широко ис­пользуют метод амперметра-вольтметра. Этот метод основан на раз­дельном измерении тока и напряжения с последующим вычислени­ем сопротивления по закону Ома. Метод прост, надежен, но облада­ет невысокой точностью, ограниченной классом точности приме­няемых приборов и методической погрешностью, вносимой этими приборами. В зависимости от значения сопротивления для измере­ния тока можно использовать милли- и микроамперметры, гальва­нометры; для измерения напряжения — милли- и микровольтмет­ры, гальванометры. Погрешность измерения порядка 1,5... 2 %.

Прямые измерения сопротивления R_x с высокой точностью осу­ществляют с помощью мостов постоянного тока.

Мосты постоянного тока (одинарные). Диапазон измерения: 10 Ом...0,1 ПОм (множитель 10¹⁵— приставка пета); классы точ­ности: 0,005... 10,0.

При измерении малых сопротивлений на результат измерения существенно влияют сопротивления контактов и подводящих про­водов, а также контактная ЭДС. Для уменьшения этого влияния применяют четырехзажимную схему включения исследуемого объекта, а измерения производят с помощью двойных мостов по­стоянного тока. Диапазон измерения: 10 нОм... 10 Ом (множитель 10~⁹ — приставка нано); классы точности: 0,01 ...2,0.

Цифровые мосты. Диапазон измерения: 10 МОм... 1 ТОм (множитель 10⁶ — приставка мега, а множитель 10¹² — приставка Тера); классы точности: 0,005...2,0.

Для измерения больших сопротивлений используют одинар­ные мосты, а для измерения очень больших сопротивлений — до 0,01 ЭОм (множитель 10¹⁸ — приставка экса) — баллистические гальванометры. Следует учесть, что при измерении больших со­противлений токи, протекающие через исследуемые объекты, ста­новятся очень малыми, что предъявляет высокие требования к чувствительности СИ.

Для измерения больших сопротивлений можно также исполь­зовать магнитоэлектрические омметры и омметры-логометры, электронные тераомметры, цифровые омметры.

Электронный логометр (тераомметр). Это прибор, в котором последовательно с измеряемым сопротивлением R_x включается об­разцовое сопротивление Rq. С помощью электронного вольтметра измеряют падение напряжения на R_x (при условии, что Rq » R_x), которое пропорционально измеряемому сопротивлению. Шкала при этом будет линейной. При Rq « R_x измеряют падение напря­жения на Rq; шкала выходного прибора обратно пропорциональ­на измеряемому сопротивлению и носит гиперболический харак­тер. Обычно это многопредельные приборы с неравномерной шка­лой. Диапазон измерения: 10 Ом... 10 ПОм; классы точности: 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0.

Цифровые омметры имеют классы точности 0,005... 2,0. Диапа­зон измерения: 100 Ом... 1 ТОм.

4.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ПОТЕРЬ

Диапазон измерения емкости — 1 пФ...Ю0 мкФ (множитель 10~¹² — приставка пико; множитель Ю^-6 — приставка микро). Вы­бор метода зависит от измеряемой емкости, условий измерения (температуры окружающей среды, частоты и величины питающе­го напряжения), требуемой точности и наличия СИ.

Косвенные измерения — это методы амперметра и вольтметра; амперметра, вольтметра и ваттметра. Прямые измерения — мос­товые методы и метод непосредственной оценки.

При измерении емкости и тангенса угла диэлектрических по­терь используются:

• мосты переменного тока (с ручным уравновешиванием). Ди­апазон измерения: емкости — 10 пФ... 1 мкФ; тангенса угла по­терь — 0,001... 1; классы точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0;

• цифровые мосты. Диапазон измерения: емкости — 1 пФ ... 100 мкФ; тангенса угла потерь — 0,0001 ... 1; классы точности: 0,02; 0,05;

• фарадметры с электромагнитным и электродинамическим И М на принципе логометра. Их применяют при грубых измерениях относительно больших емкостей. На этом принципе может быту построен и генриметр. Диапазон измерения: 1 ... 10 мкФ; классы точности: 1,0; 1,5.

4.3. ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ, ДОБРОТНОСТИ И ВЗАИМНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ

Косвенные измерения — это методы амперметра и вольтметра; амперметра, вольтметра и ваттметра. Прямые измерения — мос­товые методы, методы непосредственной оценки.

При измерении индуктивности, добротности и взаимной ин­дуктивности используются:

• мосты переменного тока широкого применения с ручным уравновешиванием. Диапазон измерения: индуктивности 1 мкГн... 1000 Гн; добротности 4,5...200; классы точности — 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0;

• цифровые мосты. Диапазон измерения индуктивности — 0,1 мкГн... 100 Гн; классы точности — 0,02; 0,05;

• генриметры (на принципе лого метров). Диапазон измере­ний — 1... 10 Гн; классы точности — 1,5; 2,5.

Для измерения взаимной индуктивности М можно использо­вать все методы измерения L, а также баллистический гальвано­метр или веберметр.

Точность измерения М данными методами определяется точ­ностью используемых СИ и принятых методов измерения.

Контрольные вопросы

1. Как делится диапазон измеряемых сопротивлений?

2. Назовите прямые и косвенные виды измерения сопротивлений.

3. Что лежит в основе выбора метода измерения сопротивлений?

4. Назовите область использования:

а) метода амперметра-вольтметра;

б) мостового метода;

в) электронного логометра;

г) цифровых омметров.

5. Как делится диапазон измеряемой емкости?

6. Что представляют собой прямые измерения:

а) малых значений емкости и тангенса угла потерь;

б) индуктивности, добротности и взаимной индуктивности?

7. Что представляют собой прямые и косвенные измерения больших значений емкости и тангенса угла потерь?

8. Что представляют собой косвенные измерения индуктивности, доб­ротности и взаимной индуктивности?

ГЛАВА 5 ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

5.1. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Магнитные измерения тесно связаны с электрическими изме­рениями, так как электрические и магнитные явления представ­ляют собой части единого электромагнитного процесса. В боль­шинстве случаев при определении той или иной магнитной вели­чины измеряется практически электрическая величина, значение которой представляет собой функцию измерения магнитной ве­личины. Сама же магнитная величина определяется расчетным пу­тем на основании соотношений, связывающих магнитные и элек­трические величины. Посредством магнитных измерений решает­ся ряд задач, к которым относятся исследование магнитных свойств веществ и материалов, атомов и атомного ядра; контроль качества магнитных материалов и изделий из них; измерение магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов; исследование маг­нитного поля Земли и других планет; изучение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам. Каждая из этих областей исследований предъявляет свои требования к диапазону и точности измерений, частотному диапазону, условиям измере­ния и к средствам измерения.

В Российской Федерации область магнитных измерений бази­руется на трех первичных эталонах — магнитной индукции и на­пряженности, магнитного потока и магнитного момента.

Эталон единицы магнитной индукции и напряженности — ка­тушка Гельмгольца с однослойной намоткой голой медной про­волоки на кварцевый каркас. Магнитная индукция при постоян­ном токе в 1 А, пропущенном через обмотку, определяется рас­четным путем с погрешностью ±0,001 % по измеренным геоме­трическим размерам катушки. Основной параметр меры индук­ции — ее постоянная К_в= В/1. В качестве меры магнитной индук­ции В и напряженности Я могут служить соленоиды и постоян­ные магниты.

Эталон магнитного потока — катушка взаимной индуктивно­сти, состоящая из двух гальванически не связанных между собой обмоток и воспроизводящая магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой протекает электрический ток.

Эталон единицы магнитного момента — группа постоянных магнитов эллипсоидной формы. Значения магнитных моментов определены путем сравнения индукции поля, создаваемого маг­нитом, с индукцией поля катушки как эталоном единицы маг­нитной индукции.

Кроме эталонов и образцовых мер в практике измерений ис­пользуются и стандартные рабочие магнитные меры.

5.2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА

При создании приборов для измерения магнитного потока обыч­но используется явление электромагнитной индукции. При изме­нении магнитного потока в измерительной катушке (ИК) возни­кает ЭДС. Измерительная катушка является преобразователем, с помощью которого магнитные величины (магнитный поток Ф. магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н) мо­гут быть преобразованы в ЭДС и измерены. Магнитоизмеритель- ный преобразователь в виде ИК можно использовать для изме­рения параметров постоянного и переменного магнитных полей. В зависимости от характера измеряемой величины к ИК предъяв­ляются различные требования относительно ее формы, размеров, расположения и т.д. Основной характеристикой ИК является ее постоянная, определяемая через произведение числа витков на площадь витка.

Для измерения постоянного магнитного потока используют бал­листический гальванометр (БГ) или веберметр. Основные харак­теристики БГ — его постоянная и период свободных колебаний. Погрешность измерения составляет 0,5... 1,0%. Баллистический гальванометр обеспечивает высокую чувствительность и точность, является прибором магнитоэлектрической системы с неградуиро- ванной шкалой и требует определения постоянной при каждом измерении.