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

Квантовыми называют преобразователи, принцип действия которых основан на силовом взаимодействии внешнего магнитного поля с магнитным полем микрочастиц (ядер, электронов, атомов, молекул), обладающих магнитным моментом m и моментом количества движения (спином) p. В результате такого взаимодействия микрочастицы, при помещении их во внешнее магнитное поле с индукцией В, начинают прецессировать вокруг направления вектора р. Прецессией называют движение, при котором ось собственного вращения тела перемещается вокруг некоторого направления. Частота прецессии w_о микрочастиц вокруг направления вектора индукции В внешнего магнитного поля будет линейной функцией значения индукции В, т.е. w = g*В, где g - гиромагнитное отношение, равное отношению магнитного момента частицы к моменту количества движения частицы и характеризующее ее магнитные механические.

Измерениеw₀ можно проводить, например, методом магнитного резонанса. Суть его заключается в том, что путем наложения на измеряемое поле с индукцией В перпендикулярного ему переменного поля с индукцией В _~ и плавного изменения частоты w_в последнего можно добиться при условии w₀ > w_В резкого увеличения амплитуды прецессии до ее максимального значения. Момент резонанса может быть зафиксирован по уменьшению амплитуды переменного тока или напряжения, создающего это поле. Частота прецессии определяется путем измерения частоты w_В переменного возбуждающего поля. В зависимости от типа микрочастиц, взаимодействующих с измеряемым магнитным полем, говорят о ядерном магнитном резонансе (ЯМР), электронном парамагнитном резонансе (ЭПР), ферромагнитном резонансе (ФМР) и др.

Рассмотрим подробнее ядерный квантовый преобразователь. Он в общем случае представляет собой стеклянную ампулу с веществом, атомы которого обладают магнитным моментом, помещенную в измерительную катушку. Измерительная катушка запитывается переменным напряжением, в результате чего создается возбуждающее магнитное поле. Преобразователь вносится в измеряемое магнитное поле таким образом, чтобы направления вектора индукции В измеряемого поля и вектора индукции В _~ переменного поля были перпендикулярны. Они могут использоваться для измерений только в однородных полях.

14. Преобразователи магнитной индукции, магнитного потока и на­пряженности магнитного поля в электрические величины. Преобразователи на основе эффекта Джозефсона. Метрол хар-ки.

Сверхпроводниковые магнитоизмерительные преобразователи используются для преобразования параметров постоянных и переменных полей в электрический ток или напряжение, частота которых пропорциональна изменению измеряемой магнитной величины - Ф или В. Внутри сверхпроводящего кольца происходит квантование магнитного потока, заключающееся в том, что магнитный поток может принимать значения, кратные кванту магнитного потока

, Вб, где h – постоянная Планка, е – заряд электрона.

Два сверхпроводника, разделенные тонким слоем диэлектрика, получили название джозефсоновского перехода, через который может протекать ток I без падения напряжения на диэлектрике. Если же ток, протекающий через переход, превысит некоторое критическое значение I_С, то на переходе возникнет падение напряжения U и в переходе потечет ток с частотой

Сверхпроводниковые магнитоизмерительные преобразователи представляют собой сверхпроводящее кольцо с одним или двумя джозефсоновскими переходами, называемое сверхпроводящим квантовым интерферометром - СКВИД. Суммарный критический ток I_сS через переходы СКВИД сильно зависит от внешнего магнитного поля. Он является периодической функцией внешнего магнитного потока Ф, пронизывающего площадь кольца. Период изменения тока I_сS равен кванту магнитного потока Ф₀, и выражение для I_СS можно записать:

.

СКВИД является преобразователем изменений магнитного потока или индукции в количество периодических изменений напряжения U, снимаемого с преобразователя.

Сверхпроводниковые преобразователи используются для преобразования малых изменений постоянных и переменных магнитных полей в электрический сигнал. Для этого они включаются в измерительные цепи непосредственной оценки и сравнения. В первом случае вторичным преобразователем сверхпроводникового преобразователя является счетчик, определяющий число периодических изменений выходного напряжения U сверхпроводникового преобразователя. Показания счетчика оказываются прямо пропорциональными значению магнитного потока Ф, воздействующего на преобразователь.

Сверпроводниковый преобразователь, как и в первом случае, представляющий собой СКВИД с двумя переходами Джозефсона, помещается в измеряемом магнитном поле, вектор индукции которого должен быть направлен перпендикулярно плоскости СКВИД (вдоль его оси). Через преобразователь протекает ток от источника тока, значение которого равно или несколько превосходит критическое значение тока I_CS, определяемое выражением (2.38). Одновременно на преобразователь воздействует синусоидальное модулирующее магнитное поле с частотой f_мод, создаваемое компенсирующей катушкой К, намотанной на преобразователь (модулирующее поле при этом совпадает по направлению с измеряемым).

Выходное напряжение СКВИД через трансформатор Тр поступает на усилитель, а затем на синхронный детектор (СД), где детектируется на частоте f_мод.

15. Преобразователи электрических величин в электрические. Измери­тельные преобразователи рода тока - выпрямительные преобразователи пере­менного тока в постоянный. Устройство и принцип действия. Функция преоб­разования. Основные параметры.

Выпрямительные приборы. Выпрямительными называют электроизмерительные приборы, в которых магнитоэлектрический преобразователь используется в сочетании с преобразователем переменного электрического тока в постоянный, представляющим собой полупроводниковый выпрямитель. В зависимости от схемы самого выпрямителя и его соединения с преобразователем различают приборы с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением.

В схемах с однополупериодным выпрямлением в течение одного полупериода переменного тока открыт диод V1 и ток протекает через преобразователь, а во время второго полупериода ток проходит через открытый диод V2 и резистор R2, предназначенные для выравнивания входных сопротивлений прибора в оба полупериода и защиты диода V1 от пробоя при обратном для него полупериоде (для вольтметров).

В схемах с двухполупериодным выпрямлением ток через преобразователь протекает во время обоих полупериодов в одном и том же направлении, в результате чего чувствительность прибора возрастает вдвое. На практике двухполупериодные мостовые выпрямительные схемы выполняют лишь на двух диодах, например, а два других заменяют резисторами. Это уменьшает температурную погрешность, вызванную нестабильностью характеристик диодов.

Основными источниками погрешностей выпрямительных амперметров являются: зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, нелинейность их характеристик, влияние паразитных реактивностей диодов, влияние формы кривой измеряемого тока. Для снижения погрешностей обычно используются различные компенсирующие измерительные цепи. Однако практически погрешность измерения тока не удается сделать меньше ±1,5 %. Диапазон рабочих частот ограничивается частотами 500…2000 Гц. Основными достоинствами выпрямительных амперметров являются их высокая чувствительность и малое собственное потребление мощности от объекта измерения.

Выпрямительные вольтметры образуются на базе амперметров путем включения последовательно с ними добавочного резистора R_Дс большим сопротивлением. Под воздействием измеряемого напряжения U _~ в цепи, состоящей из выпрямительного амперметра и добавочного сопротивления R_Д, будет протекать ток

(2.27) где R_A – сопротивление выпрямительного амперметра.

Уравнение преобразования для выпрямительного вольтметра, связывающее показание прибора α с измеряемым напряжением U_~. , где - чувствительность выпрямительного вольтметра.

16. Преобразователи электрических величин в электрические. Измери­тельные преобразователи рода тока - термоэлектрические преобразователи пе­ременного тока в постоянный. Устройство и принцип действия. Функция пре­образования. Основные параметры.

Термоэлектрические приборы. Соединение одного или нескольких термоэлектрических преобразователей переменного тока в постоянный с магнитоэлектрическим измерительным преобразователем.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой сочетание нагревателя АВ, по которому протекает измеряемый переменный ток I_~, с одной или несколькими термопарами. Такие преобразователи могут быть контактными и бесконтактными. Контактные нагреватели имеют с термопарой как тепловой, так и гальванический контакт.

Бесконтактные преобразователи не имеют гальванической связи с термопарой, а тепловой контакт обеспечивается за счет твердого диэлектрика.

В контактном термопреобразователе к середине нагревателя приваривается "рабочий спай" С термопары. "Термокрест" также представляет собой контактный термопреобразователь, в котором нагреватель образован самими проводниками термопары. Недостатком "термокреста" является зависимость термоЭДС от направления протекания тока.

В бесконтактных преобразователях отсутствие гальванической связи между нагревателем и термопарой исключает ответвление измеряемого тока I_~ в цепь преобразователя, что позволяет повысить точность измерения, однако чувствительность таких преобразователей ниже, чем контактных из-за худших условий теплопередачи от нагревателя к термопаре.

Повысить чувствительность бесконтактных преобразователей можно путем последовательного соединения термопар в термобатареи.

ТермоЭДС, возникающая на свободных ("холодных") концах M,N термопары и воздействующая на магнитоэлектрический преобразователь, пропорциональна разности температур рабочих С и свободных концов термопары. Значение термоЭДС Е_Т можно записать в виде Е_Т = k_Т ,

где k_T - коэффициент, зависящий от свойств преобразователя.

Под воздействием Е_T через магнитоэлектрический преобразователь будет протекать ток I₌, равный

, где R_i и R_T - соответственно внутреннее сопротивление преобразователя и термопары.

В реальных термоэлектрических амперметрах последовательно с магнитоэлектрическим преобразователем включается подгоночный резистор для регулировки чувствительности прибора при смене термопреобразователей. Выполняется резистор из манганина и одновременно служит как термокомпенсирующий элемент для снижения температурной погрешности.

Термоэлектрические вольтметры выполняются на базе амперметров путем включения последовательно с ними добавочного резистора R_Д, имеющего большое сопротивление. Под воздействием измеряемого напряжения U_~ в цепи нагревателя АВ и добавочного резистора R_Д будет протекать ток I_~, равный

, где R_H - сопротивление нагревателя.

Уравнение преобразования для термоэлектрического вольтметра, связывающее показание прибора a c измеряемым напряжением U_~:

, где - чувствительность термоэлектрического вольтметра.

Преобразователи электрических величин в электрические. Измерительные преобразователи рода тока – электронные преобразователи переменного тока в постоянный. Устройство и принцип действия. Функция преобразования. Основные параметры.

Преобразователи электрических величин в электрические. Измерительные преобразователи рода тока – электронные преобразователи переменного тока в постоянный. Устройство и принцип действия. ФП. Основные параметры.

Поиск по сайту: