Мера напряженности магнитного потока




Практическая работа № 2

ТЕМА: Средства измерений

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить эталоны электрических и магнитных величин

Средство измерений — техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

К средствам измерений можно отнести несколько групп устройств; это, прежде всего, — эталоны.

Эталон единицы — средство измерений, обеспечивающеевоспроизведение и хранение единицы с цельюпередачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Основу измерений составляют эталоны базовых величин. Для системы СИ это — длина, масса, время, сила тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света.

К средствам измерения также относятся измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы и измерительные приборы. Измерительные системы и измерительные установки включают в себя комплекс измерительных приборов, устройств сопряжения и передачи информации.

Эталоны электрических и магнитных величин

Наличие системы эталонов определено структурой построения системы СИ. Как было указано выше, основу системы составляют эталоны базовых физических величин, которые определяются физическими константами. Производные величины также имеют свои эталоны. Эталонная база Российской Федерации представлена 114 первичными и 250 вторичными эталонами.

Таблица 3.1

Наименование раздела Количество эталонов Максимальная точность
Механика   5 х 10-15
Теплофизика   10-4
Электрические и магнитные величины   2 х 10-8
Оптико-физические величины   2,5 х 10-3
Ионизирующие излучения   -
Физико-химические   -
Внесистемные величины, плоский угол   0,01"

Эталоны должны обладать рядом свойств.

Неизменность — способность удерживать неизменный размер воспроизводимой физической величины в течение продолжительного времени с заданной точностью. Все изменения,которые вносятся внешними факторами, должны описываться заранее известнымизакономерностями. При создании эталона сопротивления одной из характеристик, которую необходимо учитывать, является температурный коэффициент, т.е. изменение величины сопротивления в зависимости от изменения температуры окружающей среды с учетом материала, из которого выполнен эталон.

Воспроизводимость — возможность воспроизвести единицу физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшими погрешностями. Для этого принцип действия эталона строится на какой-либо константе, неизменной для нашей вселенной (скорость света, постоянная Авогадро и др.). Определяется и исключается также систематическая погрешность.

Сличаемость — возможность сличения с эталоном других средств измерений, стоящих ниже по поверочной схемес наивысшей точностью. Свойство предполагает отсутствие изменений, внесенных в результат измерения самим эталоном.

В зависимости от числа средств измерения, входящих в эталон, они делятся на:

• одиночные;

• групповые;

• эталонный набор.

Для электротехнических измерений используются следующие эталоны.

Меры электрических величин

Мера напряжения

В качестве меры напряжения наибольшее распространение получили нормальный элемент (НЭ) и элемент, работающий на эффекте Джозефсона.

Нормальный элемент

Нормальный элемент (рис. 3.1) — это обратимый гальванический элемент с точно известной ЭДС. В зависимости от состояния можно выделить два вида:

насыщенные — электролит выполняется из водного раствора сульфата кадмия, его кристаллы находятся в избытке;

ненасыщенные — над амальгамой кадмия и сульфата ртути Нg2SO4 установлены пробковые или пластмассовые кольца.

 

 

Рис. 3.1. Нормальный элемент: 1 — Н-образный сосуд, 2 — электролит, 3 — амальгама кадмия, 4 — кристаллы сернокислого кадмия, 5 — платиновые кон­такты, б — Нg2SO4, 7—ртуть

 

При работе протекают следующие реакции.

Заряд. Реакция на аноде:

Реакция на катоде:

 

Разряд. Реакция на аноде:

Реакция на катоде:

 

Стабильность работы элемента обеспечивается химическим составом и правильной эксплуатацией установки. При работе с нагрузкой изменяются ЭДС НЭ и концентрация электролита, что ограничивает пропускаемый через него ток. Ограничивающими факторами является также температура окружающей среды (изменяется скорость протекания реакции) и механические воздействия (нельзя встряхивать и переворачивать).

Величина выдаваемой ЭДС составит порядка 1 В при строго известной погрешности, независимой от окружающей среды. При температуре 20 °С она составит 3x10-6% или 0,0185 В для насыщенных элементов. Для насыщенных элементов предусмотрены классы точности 0,0005-0,005%, для ненасыщенных — 0,005-0,020%.

Элемент Джозефсона (Нобелевская премия 1973 года) устроен следующим образом.

Две проводящие пластины (рис. 3.2) располагаются на расстоянии 10-9 м, между ними располагается слой окисла свинца. Проводящие пластины охлаждаются до точки перехода к сверхпроводящему состоянию. Элемент располагается в поле высокой частоты (ВЧ) таким образом, чтобы оно было перпендикулярно контактам. При протекании электрического тока (I) через контакты электроны переходят через слой оксида свинца 1, создается разность потенциалов 10 мВ. Подобные контакты можно соединять параллельно, увеличивая получаемую разность потенциалов. Точность установки составляет ± 4 х 10-7 В.

 

Мера сопротивления

В электрических цепях используются измерительные катушки и магазины сопротивлений. Катушка выполняется из манганиновой проволоки или ленты, намотанной бифилярно на каркас. Материал каркаса зависит от величины измеряемого сопротивления: свыше 10 Ом — обмотка из сверхтонкой манганиновой проволоки и стеклянный каркас, свыше 0,01 Ом — фарфоровый или латунный каркас. Для высокоомных сопротивлений используется также сплав эваном. По проходным контактам 2 (рис. 3.3) протекает электрический ток, а с измерительных контактов 1 снимается разность потенциалов, которая регистрируется как сопротивление. Погрешность измерительной катушки зависит от потерь на нагрев, так как при прохождении электрического тока проводники нагреваются. Реактивная составляющая появляется вследствие того, что катушка наматывается по образцу катушки индуктивности, а изоляция проводников играет роль диэлектрика для конденсатора (паразитная емкость и индуктивность). Погрешность для сопротивлений до 107Ом составляет 3 х 10-4%.

Для поверки рабочих средств измерений используются магазины резисторов, которые обеспечивают быстроту и удобство использования и не предъявляют особых требований к окружающей среде.

В настоящее время перспективным является использование в качестве меры сопротивления датчика Холла.

 

Мера индуктивности

Изготавливается мера индуктивности в виде катушки, намотанной медным проводом на каркас из высококачественного изоляционного материала. Для создания равномерного магнитного поля используется тороидальный сердечник.

При создании меры индуктивности возникает ряд проблем, которые снижают точность; к ним относятся: активное сопротивление провода, паразитная емкость, вихревые токи и другие физические эффекты, которые можно отнести к конструктивным недостаткам. Точность меры — 10-5.

 

Мера емкости

В качестве меры емкости используются конденсаторы различных конструкций. Наибольшее распространение получил плоский конденсатор (рис. 3.4) и конденсатор Томпсона - Лампара (рис. 3.5).

Плоский конденсатор

Принцип работы заключается в разделении зарядов на различных пластинах. Выполняется в виде плоского конденсатора с рабочими пластинами 2 (рис. 3.4) и краевыми пластинами 1, которые исключают влияние краевого эффекта. Краевой эффект представляет собой выход силовых линий за пределы рабочей плоскости пластин, что сопровождается потерями, которые необходимо уменьшить для увеличения точности измерений.

 

 

Рис. 3.5. Конденсатор Томпсона-Лампара

 

Точность измерений также зависит от материала диэлектрика, расположенного между рабочими пластинами, а именно, от его диэлектрической прочности; используются, в основном, воздух и слюда. Классы точности — от 0,05 до 0,5.

Конденсатор Томпсона - Лампара (рис. 3.5) пред­ставляет собой два коаксиально размещенных цилиндра, перемещение которых по вертикали позволяет регулировать емкость конденсатора. Точность измерения зависит только от измерения одного линейного размера — длины и составляет 10-8.

Все конденсаторы выполняются в виде переменных емкостей, магазинов емкостей и однозначных мер.

Мера тока

Выполняется в виде рычажных весов, к одному из плеч которых подсоединены две коаксиальные катушки разного диаметра, включенные последовательно, ко второму — чаша для гирь (рис. 3.6).

Рис. 3.6. - Токовые весы

 

При протекании электрического тока катушки притягиваются или отталкиваются; сила этого взаимодействия уравновешивается эталонными гирями, которые помещаются в чашу для гирь. Весы настроены таким образом, чтобы достигать состояния равновесия при силе тока 1 А. Погрешность измерения — 3 х 10-6%. В настоящее время предпринимаются попытки увязать эталон тока с постоянной Планка и с понятием заряда.

С 1991 г. утверждено два эталона тока: в диапазоне от 10-3 до 1 А значение силы тока воспроизводится путем косвенных измерений, через измерение напряжения, воспроизводимого квантовой мерой напряжения на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводниках, и сопротивления, воспроизводимого криогенной мерой на основе квантового эффекта Холла; в диапазоне от 10-16 до 10-9А используются методы электрометрии. В результате точность измерения повысилась в 1,5-2 раза.

 

Меры магнитных величин

В основном, используются меры двух магнитных величин — это мера магнитного потока и мера напряженности магнитного поля.

Меры магнитного потока

Мерой магнитного потока служит плоская катушка с двумя обмотками, которая используется для поверки баллистического гальванометра.

Величина магнитного потока составит:

(3.1)

где М —взаимная индуктивность; I — ток, протекающий по катушке.

Соленоид выполняется в виде цилиндрической катушки с двумя обмотками и может использоваться как мера магнитного потока и напряженности магнитного поля. Основное требование, предъявляемое к такой мере, — длина катушки должна быть во много раз больше диаметра.

Магнитный поток

(3.2)

где 0— магнитная постоянная;

1, 2 — число витков первичной и вторичной катушки;

l, d — среднее сечение витка вторичной обмотки; /, Л — длина и диаметр соленоида.

Напряженность для однослойной катушки

(3.3)

При соблюдении неравенства d<<l формула (3.3) упрощается:

(3.4)

Мера напряженности магнитного потока

Кольца Геймгольца (рис.3.7.) выполняються в виде двух круговых контуров, в которых соблюдается неравенство a<<R при a 0. Создает слабое магнитное поле порядка 104 А/м высокой однородности.

Рис. 3.7. Кольца Геймгольца

Напряженность магнитного поля составит: (3.5)

где — число витков одной секции колец;

R — радиус кольца.

Постоянный магнит используется для создания полей с высокой напряженностью — до 300000 А/м. Конструктивно выполняется как однозначная мера; величина напряженности зависит от формы, размера и материала образца.

 

Контрольные вопросы:

1. Свойства электрических и магнитных величин;

2. Меры электрических величин- напряжения, сопротивлении, индуктивности, емкости, тока;

3. Меры магнитных величин: магнитного потока и напряженности.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: