5.3. Вимірювання різниці магнітних потенціалів

Різницю магнітних потенціалів (магнітну напругу) між точками a та b магнітного поля (рис.5.7) можна виміряти за допомогою потенціалометричної котушки (гнучкого магнітного пояса).

Рисунок 5.7

Потенціалометрична котушка являє собою обмотку, яка складається з парного числа шарів і намотана на гнучкому каркасі з ізоляційного матеріалу. Виводи від обмотки являють собою гнучкі скручені провідники. Розташовані виводи на середині магнітного пояса. За допомогою цих виводів потенціалометр приєднується до балістичного гальванометра.

Потокозчеплення  з потенціалометричною котушкою, кінці якої знаходяться в точках a та b, визначається виразом:

 = , (5.9)

де S – площина, охоплена середнім витком котушки; l – довжина котушки; B_l – проекція вектора на направлення dl; K = W_кS/l – постійна котушки (магнітного пояса). Значення інтеграла від H_l по dl не залежить від шляху інтегрування. Воно визначається тільки розташуванням точок a та b.

Різниця магнітних потенціалів між точками a та b, тобто магнітна напруга

U_mab = . (5.10)

Із зіставлення (5.9) та (5.10) видно, що

U_mab = . (5.11)

Для вимірювання U_mab пояс розташовують так, щоб його кінці знаходились в точках a та b. Потім за допомогою балістичного гальванометра вимірюють , вилучаючи котушку з поля, або відключають струм, який створює поле, і помічають максимальний “відкид” гальванометра.

Постійну потенціалометричної котушки визначають експериментально, для чого використовують поле з відомою напруженістю.

За допомогою потенціалометричної котушки можна виміряти різницю потенціалів як в однорідних, так і в неоднорідних магнітних полях.

5.4. Вимірювання характеристик постійних магнітних полів веберметром

В практиці магнітних вимірювань застосовуються магнітоелектричні, фотокомпенсаційні та електронні веберметри. В усіх цих приладах використовується як перетворювач вимірювальна котушка.

Розглянемо магнітоелектричний веберметр.

Магнітоелектричний веберметр (рис.5.8) являє собою чутливий магнітоелектричний механізм без протидійного моменту (W_ПТ = 0), до якого через безмоментні струмопідводи приєднується вимірювальна котушка з числом витків W_к. У зв’язку з тим, що опір кола механізму разом з вимірювальною котушкою малий, механізм працює в аперіодичному режимі з великим ступенем заспокоєння. При цьому коефіцієнт індукційного заспокоєння багато більший за коефіцієнт повітряного заспокоєння. Оскільки P_і>>P_п, вважаємо, що результувальний коефіцієнт заспокоєння P  P_і. При W_ПТ = 0 рівняння руху рухомої частини буде мати вигляд:

J = ₀i. (5.12)

Рисунок 5.8

В подальшому будемо вважати, що вимірюваний магнітний потік Ф_х змінюється від Ф_х до нуля або від нуля до Ф_х. В будь-якому випадку зміна потоку Ф_х = Ф_х. При зміні потоку у вимірювальній котушці виникає е.р.с. e = –W_k . Вона врівноважується напругами на елементах кола: e = iR + L , звідки маємо

i = , (5.13)

де R = R_к + R_р – активний опір кола, R_к – опір вимірювальної котушки, R_р – опір рамки механізму веберметра, L – індуктивність вимірювального кола.

Підставимо (5.13) в (5.12):

J . (5.14)

Позначимо t = 0 – момент часу, який безпосередньо передує зміні потоку Ф_х; t = t₁ – момент часу, що настає відразу за закінченням зміни потоку Ф_х. Будемо мати на увазі, що струм i в колі існує тільки тоді, коли e  0, тобто має місце зміна потоку Ф_х, а рухома частина механізму переміщається (при великому моменті індукційного заспокоєння) тільки тоді, коли i  0. Проінтегруємо (5.14) від t = 0 до t₁:

J .

Одержимо:

J . (5.15)

У (5.15) = 0, оскільки рухома частина ще не рухається; = 0, бо рухома частина вже не рухається. Тому перша складова J = 0.

Позначимо положення рамки (і, таким чином, стрілки на шкалі приладу) в момент t = t₁ кутом ₂. Тоді друга складова у лівій частині рівності дає нам P(₂ – ₁) = P, де  – зміна показів веберметра.

Остання складова в (5.15) дорівнює нулю, оскільки i(0) = 0 і i(t₁) = 0. В результаті одержуємо:

P = . (5.16)

Підставимо в (5.16) e = –W_k :

P = – , (5.16,а)

звідки (без урахування знака мінус)

Ф_x = Ф_x =  = C_Ф, (5.17)

де C_Ф = (RP)/(W_k₀) – постійна (ціна поділки) веберметра. З рівняння (2.22) виходить, що коефіцієнт індукційного заспокоєння P_i =  /R. Тоді

C_Ф = . (5.18)

Останнє співвідношення показує, що постійна веберметра не залежить від опору кола. Але цей вираз для C_Ф одержаний при допущенні P_i>>P_п, тобто коли опір кола малий. При великих опорах P_п стає порівнянним з P_i, і постійна веберметра збільшується. Тому після експериментального визначення C_Ф за допомогою зразкової котушки взаємної індуктивності цю котушку з кола веберметра не виключають, залишаючи її ввімкненою послідовно (вторинною обмоткою) з вимірювальною котушкою. Тоді опір кола під час вимірювань веберметром залишається таким самим, яким він був під час визначення C_Ф.

У зв’язку з відсутністю механічного протидійного моменту вказівник веберметра займає довільне положення. Для встановлення вказівника в потрібне положення у веберметрі передбачений електромеханічний коректор, який являє собою допоміжний магнітоелектричний механізм.

До недоліків магнітоелектричного веберметра слід віднести невисоку чутливість та велику похибку (13% і більше в залежності від опору зовнішнього кола).