Устройство для измерения слабых магнитных полей, создаваемых электрическим током

Устройство для измерения слабых магнитных полей, создаваемых электрическим током

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть применено для измерения напряженности слабых магнитных полей, создаваемых электрическими токами.

Аналогом предлагаемого изобретения является измерение с применением измерительной катушки для исследования магнитного поля соленоида (см. Под ред. Ивероновой В.И., М.: изд-во “Наука”, 1968, стр.118-122).

Прототипом изобретения является способ измерения по заявке №2009136787/28 (052027) “Измерительная кольцевая катушка”, по которой принято экспертизой решение о выдаче патента на изобретение, см. письмо Апостоловой М.В. от 02.10.10, отдел 60.

Сущность измерений по аналогу и прототипу состоит в использовании физического явления электромагнитной индукции, которое математически определяется вторым уравнением Максвелла , которое физически гласит, что переменное во времени магнитное поле с индукцией создает в совмещенном пространстве (xyzt) вихревое электрическое поле .

Для магнитного поля, создаваемого электрическим током, это уравнение вырождается в дифференциальное уравнение e = n d Ф a t ,

которое преобразуется в расчетную формулу

e=4,44nfSB,

где е - действующее значение электродвижущей силы на выводах измерительной катушки,

n - число витков измерительной катушки,

f - частота синусоидального значения магнитного потока Ф с магнитной индукцией В,

S - площадь измерительной катушки

(см. Фремке А.В. и Душин Е.М. “Электрические измерения”, Л., “Энергия”, 1980, стр.65, 267-268; Токарев Б.Ф. “Электрические машины”. М., “Атомиздат”, 1990, стр.162).

В известных способах и устройствах для измерения магнитных полей используют измерительную катушку в качестве датчика исследуемого магнитного поля, которую подключают ко вторичному прибору, который предназначен для измерения эдс.

Известно, что при измерениях в неоднородных магнитных полях для повышения достоверности измерений необходимо использовать измерительные катушки минимальных размеров и соответственно ограниченного количества витков для характеристики поля в данной точке исследуемого пространства, т.е. центре измерительной катушки. Поэтому известные способы и устройства измерения становятся непригодными для измерения слабых магнитных полей, потому что и чувствительность вторичных приборов тоже ограничена своими техническими параметрами.

Таким образом, известные способы и устройства не позволяют измерять и соответственно исследовать слабые неоднородные магнитные поля.

Отмеченный недостаток устраняется предлагаемым изобретением. Оно состоит в повышении частоты синусоидально изменяющегося магнитного потока. Технически это возможно повысить на 2-3 порядка и соответственно повысится уровень сигнала с измерительной катушки. В принципе, частоту можно поднять еще выше, но не всегда можно согласовать высокочастотный генератор с исследуемой нагрузкой.

Вторым фактором повышения чувствительности измерений является усиление электродвижущей силы измерительной катушки с помощью электронного усилителя на 2-3 порядка.

В итоге предлагаемое изобретение позволяет повысить чувствительность измерений слабых магнитных полей на 4-6 порядков. Это, в свою очередь, позволит надежно исследовать слабые неоднородные магнитные поля.

В качестве примера предлагается схема для исследования структуры магнитного поля кругового витка с током, фиг.1. Круговой виток является конструктивным элементом колец Гельмгольца, которые являются стандартным прибором для магнитных измерений.

Поле на оси кругового витка с током является неоднородным и выражается формулой (см. Савельев И.В. “Курс общей физики”, т.2, М., “Наука”, 1970, стр.134)

,

где µ₀=4·10^-7 Гн - магнитная постоянная,

R - радиус витка с током i,

z - координата на оси витка.

Если положить i=1a, R=0,1 м, z=0, то поле в центре витка будет B ( z = 0 ) = 4 n 10 − 7 2 1 0,1 = 2 n 10 − 8  Т л = 2 n 10 − 4   Г с .

Если измерительная катушка имеет параметры n=10 вит, S=10^-4 м² и f=50 Гц, то амплитуда ЭДС на измерительной катушке будет

e=4,44·10·50·10^-4·2n10^-8=1,39·10^-8 вольт.

Это - максимальное значение измеряемой величины, а по мере удаления от центра исследуемого витка с током оно будет многократно уменьшаться.

Автор, используя известный способ измерения, применил ток, равный 100 А при частоте 50 Гц и измерительной катушке с 100 витками.

Гальванометр, включенный через диодный мост, давал плывущие показания, потому что провод витка нагревался до каления и ток в витке менялся.

На фиг.1 цифрами обозначены:

1 - высокочастотный генератор,

2 - круговой виток с током,

3 - измерительная катушка,

4 - электронный усилитель переменного тока,

5 - вторичный измерительный прибор.

Действует схема предлагаемого изобретения следующим образом. Высокочастотный генератор 1, питая круговой виток током высокой частоты, возбуждает вокруг витка переменное магнитное поле высокой частоты, которое индуцирует в измерительной катушке 3 ЭДС высокой частоты, которая усиливается электронным усилителем 4 и подается на вторичный измерительный прибор 5. Сопоставляя измеренные величины ЭДС с координатами измерительной катушки, строят график зависимости поля на оси витка с током.

При увеличении частоты питающего тока на три порядка и усилении ЭДС измерительной катушки еще на три порядка при сохранении прежних параметров измерительной катушки измеряемая вторичным прибором ЭДС увеличится на шесть порядков и составит 1,39·10^-2 вольт.

Это вполне измеряемая величина напряжения с помощью типовых приборов.

Автор готовит лабораторную установку для экспериментальных исследований предлагаемого изобретения.

Устройство для измерения слабых магнитных полей, создаваемых электрическим током, состоящее из измерительной катушки и вторичного измерительного прибора, отличающееся тем, что в качестве источника питания электрическим током используется генератор тока высокой частоты, а измерительная катушка соединяется со вторичным измерительным прибором через электронный усилитель токов высокой частоты.