Эталонные источники магнитного поля для частот 0,01–30 мгц

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Задание 1 Цель: оценить значение сердечника для получения магнитного поля катушки, 33.68kb.
• Дефицит магнитного поля, 27.98kb.
• Домашнее задание по физике на 4 сессию Учебник, 55.57kb.
• Задачи урока: -обучения: продолжить формирование представлений о магнитном поле; рассмотреть, 35.34kb.
• Урок на тему «Магнитное поле Земли», 31.68kb.
• Лабораторная работа № Исследование магнитного поля модели сверхпроводникового индуктора, 75.13kb.
• Разработка урока в 8-м классе "Магнитное поле. Линии магнитного поля", 33.77kb.
• Методическое и метрологическое обеспечение усилителей мощности в диапазоне частот 0,05-2, 12.44kb.
• Магнитное поле. Сила Ампера. Сила Лоренца. Явление электромагнитной индукции, 98.2kb.
• Лекция n 21, 1748.76kb.

Эталонные источники магнитного поля для частот 0,01–30 МГц

Опубликовано в журнале «Мир измерений» № 12, 2005   Эталонные источники магнитного поля для частот 0,01–30 МГц на основе колец Гельмгольца (в сокращении)   Ю.И. Казанцев, А.Е. Ескин, С.И. Иванов, Л.Н. Селин   Для воспроизведения размера физической величины – отношения магнитной индукции переменного поля к силе тока в интервале частот 1–10000 Гц и динамическом диапазоне 1´10-6…5´10-4 Тл/А в Российской Федерации служит государственный первичный эталон ГЭТ 12–91 (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева). Он обеспечивает потребности измерительной техники в области магнитных измерений. Для воспроизведения размера единицы напряженности магнитного поля в интервале частот 0,01–30 МГц и динамическом диапазоне 0,01–2 мА/м служит государственный специальный эталон ГЭТ 44-73 (ВНИИФТРИ). До недавних пор он полностью обеспечивал потребности измерительной техники в области измерений радиотехнических величин. За последнее время появился значительный парк рабочих средств измерений напряженности магнитного поля до 10 А/м и более в частотном диапазоне от единиц до 50 МГц (ИПМ-101, ИПМ-101М, НФМ-1 и др.). Несмотря на сравнительно большие погрешности измерений этих приборов (порядка 20 %), для обеспечения требуемого запаса точности при передаче им размера единицы необходимо иметь эталонные источники магнитного поля в динамическом диапазоне, существенно превышающем диапазон эталона ГЭТ 44-73. Такие источники магнитного поля на основе колец Гельмгольца (КГ) были разработаны и исследованы авторами. Теория КГ для воспроизведения постоянного и переменного магнитного поля низкой (до 10 кГц) частоты подробно описана в большом количестве публикаций. При переходе к высоким частотам появляются дополнительные источники погрешностей, обусловленных, главным образом, отклонением распределения магнитного поля и постоянной КГ от значений, рассчитанных для случая питания КГ постоянным током. Эти погрешности связаны с неравномерным распределением тока вдоль каждой секции (каждого кольца) КГ и токами смещения, протекающими в КГ. Рядом других эффектов, например, скин-эффектом, как показали расчеты, для частот до 30 МГц можно пренебречь. КГ рассмотрены как система двух излучающих одновитковых рамочных антенн (РА). С использованием известных из теории соотношений для частот тока питания, при которых длина волны становится соизмеримой с длиной окружности РА, в том числе для числовой оценки влияния тока смещения, который протекает через емкость между кольцами, были получены формулы для определения постоянной КГ и распределения магнитного поля в рабочем объеме КГ по следующим параметрам: индуктивность одного кольца L; коэффициент взаимной индукции между кольцами М; емкость между кольцами С; сопротивление термоэлектрического вакуумного бесконтактного преобразователя тока (типа ТВБ) с подводящими проводами R (который при подключении к прецизионному цифровому милливольтметру постоянного тока образует высокочастотный измеритель силы тока). Для высоких частот учтены также резонансные свойства каждого из колец КГ. Расчеты проведены численными методами на ПЭВМ с использованием программы Mathcad 2000. Были изготовлены одновитковые КГ трех типоразмеров, геометрические параметры которых указаны в табл. 1. Здесь же приведены рассчитанные значения L и М и измеренные значения С, а также вычисленные значения резонансной частоты каждой секции (витка) этих колец. Таблица 1 Обозначение КГ Диаметр колец, мм Расстояние между кольцами, мм L, мкГн M, мкГн C, пФ fr,, МГц КГ1 200 ± 0,05 100 ± 0,05 0,712 0,05 2,1 156,7 КГ2 120 ± 0,05 60 ± 0,05 0,389 0,03 1,2 264,5 КГ3 120 ± 0,05 100 ± 0,05 0,389 0,03 0,8 264,5   В установке для воспроизведения эталонного магнитного поля (рис. 1) сигнал частотой 0,01–30 МГц от измерительного генератора, в качестве которого используется калибратор Н5-3, подается через симметрирующий трансформатор на КГ. Сила тока в кольцах измеряется посредством термоэлектрического преобразователя тока типа ТВБ, подключенного к милливольтметру НР 34401А. Для компарирования измеряемого тока с током частоты 1 кГц по стандартной методике, которая применяется при точных измерениях силы переменного тока, используется калибратор тока Н4-6 (на рисунке не показан).   Рис. 1. Структурная схема установки для воспроизведения эталонного магнитного поля на основе КГ 1 – измерительный генератор; 2 – симметрирующий трансформатор; 3 – КГ; 4 – ТВБ; 5 – милливольтметр   Внешний вид КГ с измерительной РА и координатным устройством для ее установки в КГ показан на рис. 2. КГ располагаются на основании, под которым смонтирован термопреобразователь тока типа ТВБ с подводящими проводами. Расположение ТВБ и проводов подбиралось экспериментально для минимизации их влияния на воспроизводимое КГ магнитное поле. В результате многочисленных измерений установлено, что погрешность, обусловленная влиянием этих элементов, в диапазоне частот 0,01–30 МГц не превышает ±0,4 %.                                                                                                                Рис. 2. КГ с измерительной РА и координатным устройством   Были проведены сличения КГ1, КГ2, КГ3 между собой в диапазоне частот 0,01–30 МГц в динамическом диапазоне 2–100 мА/м. Установлено, что расхождение значений напряженности магнитного поля, воспроизводимых в этих КГ в соответствии с (11), составляет не более ±1%. Поскольку кольца имеют различные геометрические и электрические параметры, это свидетельствует о правильности выбранной теоретической модели для расчета напряженности магнитного поля, воспроизводимого КГ в указанном диапазоне частот. Экспериментальные исследования изготовленных КГ на государственном эталоне ГЭТ 44-73 (для примера в табл. 2 приведен результат сличений с эталоном наиболее низкочастотных КГ1) показали, что в диапазоне частот 0,01–30 МГц расхождения между значениями напряженности магнитного поля, воспроизводимыми КГ1, КГ2, КГ3 и эталоном, не превышают ±0,7%.   Таблица 2      Частота f, МГц    Поле в КГ1, мА/м        Поле в ГЭТ 44-73, мА/м      D, % 30 2,112 2,125 0,6 10 2,122 2,115 0,4 5 2,124 2,133 0,5 1 2,126 2,138 0,4 0,5 2,126 2,141 0,7 0,1 2,129 2,141 0,6 0,01 2,129 2,134 0,3   Таким образом, теоретически и экспериментально подтверждено, что созданные КГ и установка на их основе могут быть использованы для воспроизведения размера единицы напряженности магнитного поля в интервале частот 0,01–30 МГц и динамическом диапазоне до 100 мА/м с эталонными точностями. Это существенно расширяет возможности поверки современных средств измерений напряженности магнитного поля.

Источник: npcentre.ru