44. Измерение мощности методом с использованием эффекта Холла

Этот метод относится к электронным методам измерения .

Эффект Холла проявляется, как известно, в полупроводниковых материалах, обладающих большой подвижностью носителей тока (германий, кремний и др.). Этот эффект заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) в полупроводниковой пластине (преобразователь Холла, ПХ), по которой в продольном направлении протекает ток , а сама пластина помещена в магнитное поле с индукцией , перпен­дикулярное к направлению тока (рисунок 3.8а).

Значение ЭДС Холла можно определить по формуле

, (3.13)

– постоянная Холла, определяемая свойствами пластины.

При измерении преобразователь Холла размещают в волноводе так, чтобы электрическая составляющая поля создавала в ПХ ток, а магнитная составляющая была перпендикулярна к его поверхности. На рисунке 3.10б показано размещение ПХ в волноводе с волной . В этом случае можно доказать, что показания индикатора, измеряющего разность потенциалов на гранях ПХ, будут, пропорциональны среднему значению .

Рисунок 3.8 – Преобразователь Холла:

а – схема; б – включение в волновод

Ваттметры с ПХ имеют ряд достоинств: линейность градуиров­ки шкалы в значениях , слабая зависимость показаний ваттметра от частоты (градуировку можно проводить на низких частотах), малая инерционность, про­стота и высокая надежность.

Недостатки ваттметров: малая чув­ствительность, низкая точность измерений и сильная зависи­мость от изменений температуры, что требует применения специальных схем термокомпенсации.

45. Компенсатор постоянного тока

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемых ЭДС или напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксирует индикатор, имеющий очень высокую чувствительность и реагирующий на очень маленькие токи.

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рисунке 2.17.

Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор , по шкале которого отсчитывают измеряемое значение Э.Д.С. ( ) или напряжение ( ). Поэтому компенсаторы называют еще измерительными потенциометрами. В качестве образцовой меры Э.Д.С. применяется нормальный элемент (НЭ) – электрохимический источник, Э.Д.С. ( ) которого известна с очень высокой точностью. Однако ёмкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений ( ) с невозможно. Поэтому схема компенсатора дополняется источником постоянного напряжения с Э.Д.С. ( ) большой ёмкости. Таким образом для сравнения с ( ) используется не , а падение напряжения на образцовом резисторе , которое создается током от источника - рабочим током ( ), который перед измерением устанавливается. Процесс измерения ( ) состоит из двух этапов: установки и непосредственно измерения ( ).

Рисунок 2.17 – Упрощенная схема компенсатора постоянного тока

Для установки требуемого значения переключатель П устанавливается в положение 1 и изменением сопротивления регулировочного резистора добиваются нулевого показания индикатора И. Этому соответствует отсутствие тока в цепи индикатора, что возможно при выполнении равенства . Тогда значение рабочего тока определяется как . Так как и величины постоянные, то и рабочий ток далее в процессе измерений будет оставаться постоянным и следовательно воспроизводить значение .

На втором этапе измеряют значение ( ). Для этого переключатель П переводится в положение 2, и изменением сопротивления резистора вновь добиваются нулевого показания индикатора И. Так как этому состоянию соответствует равенство и . Таким образом искомое значение ( ) однозначно определяется величиной и может быть отсчитано по шкале потенциометра .

С помощью компенсатора измеряемое ( ) определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток в ней отсутствует. Погрешность измерения ( ) определяется погрешностями образцовых резисторов и , ЭДС нормального элемента и чувствительностью индикатора. В качестве НЭ применяются насыщенные и ненасыщенные обратимые гальванические элементы, классы точности которых регламентируются в пределах 0,0002-0,02 и в значительной степени определяют класс точности компенсатора в целом. Установочный резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. Потенциометр выполняется также по специальной схеме, обеспечивающей постоянство при измерении и необходимое число знаков (декад) при отсчете ( ). Индикатором, как правило, является магнитоэлектрический гальванометр.

Современные компенсаторы постоянного тока имеют классы точности в пределах от 0,005 до 0,2. Верхний предел измерения составляет (1..2,5)В, а нижний – единицы нановольт. Для увеличения верхнего предела измерения до нескольких десятков вольт в последних конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента применяют высокостабильные источники напряжения с более высоким значением стабилизированного напряжения.

В настоящее время существуют и применяются на производстве автоматические компенсаторы, в которых отслеживается разностное значение с помощью следящей системы. и - это части измерительного сопротивления в начале и конце цикла слежения.

С помощью компенсатора можно также измерять ток, предварительно преобразовав его в напряжение с помощью образцового резистора с известным сопротивлением . Искомое значение тока определится по результатам измерения напряжения из формулы .

Компенсационные методы могут использоваться и для измерения переменных напряжений. Однако в этом случае компенсирующее напряжение необходимо регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие компенсаторы (потенциометры) имеют более сложную схему, чем компенсаторы постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичный по своим параметрам НЭ. В настоящее время они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.