7.4 Електромагнітні методи
До електромагнітних методів вимірювань струмів і напруг відносять методи, що засновані на використанні електромагнітних процесів, які зумовлені зв’язком між електричними і магнітними явищами. Теоретичною основою цих методів є рівняння Максвелла
;
; 
;
(7.6)
Оскільки вектори B, H, D і E введені незалежно, до рівнянь додаються зв’язки
;
;
(7.7)
де μ, ε – відповідно магнітна і діелектрична проникність середовища; γ – його питома провідність.
На використанні електромагнітних явищ засновані найбільш поширені засоби вимірювань великих струмів і високих напруг: вимірювальні трансформатори струму (ВТС) і напруги (ВТВ), індуктивні дільники, магнітні компаратори, а також засоби, що засновані на реалізації методів ядерного магнітного резонансу (ЯМР) – гальваномагнітний і компарування.
7.4.1 Вимірювання струмів, що грунтуються на гальваномагнітних ефектах
Такі вимірювання здійснюються за допомогою перетворювачів Холла (ПХ). Вони застосовуються для вимірювання параметрів магнітного поля, що створюється вимірюваним струмом, і використанні залежності між струмом і магнітним полем, яка визначається законом повного струму
.
(7.8)
Якщо контур інтегрування не проходить через намагнічуване середовище, то можна користуватись рівнянням
.
(7.9)
На практиці вимірювання струмів за допомогою ПХ зводиться до визначення магнітної індукції в скінченному числі або навіть в одній точці магнітного поля, що створюється вимірюваним струмом.
Для вимірювань великих струмів використовують прилади з немагнітним та з феромагнітним інтегруючими контурами.
Прилади з немагнітним інтегруючим контуром. Прилади з немагнітним інтегруючим контуром складаються з ряду пх, що оточують шину зі струмом (рис. 7.7). Для цього випадку справджується наближене рівняння
,
7.10)
де Ві – магнітна індукція в місці розташування і-го ПХ; αі – кут між вектором магнітної індукції і віссю направленості і-го ПХ; Δl – відстані між сусідніми ПХ.
Якщо всі ПХ мають однакову чутливість SB, то сума їх вихідних напруг пропорційна до вимірювального струму
.
(7.11)
Сумування
вихідних сигналів n
в ПХ дозволяє зменшити температурний
дрейф сумарної залишкової напруги, а
також збільшити в
разів відношення корисного сигналу до
шуму при дії випадкових некорельованих
завад.
Рисунок 7.7 -
Схема вимірювання струмів приладом з
немагнітним контуром
Прилади з немагнітним інтегруючим контуром вирізняються простотою конструкції і незначною масою. Їх виготовляють у вигляді вимірювальних кліщів для вимірювання струму без розриву струмопроводу, в тому числі у високовольтних мережах. Для зменшення похибки таких приладів слід використовувати більшу кількість ПХ. Ці прилади особливо ефективні при вимірюваннях і осцилографуванні високочастотних і імпульсних струмів, оскільки ПХ практично безінерційні.
Прилади з феромагнітним інтегруючим контуром. Використання феромагнітного інтегруючого контуру дозволяє підвищити чутливість і зменшити похибки від впливу зовнішніх магнітних полів і несиметричного розподілу вимірюваного струму. Зазвичай магнітопровід має астатичну конструкцію з парною кількістю повітряних зазорів, в яких розміщуються ПХ (рис. 7.8).
Якщо магнітопровід складається з n феромагнітних ділянок і має m зазорів, то, спираючись на закон повного струму, можемо скласти наближене рівняння
, (7.12)
де HFeі і Hδk – відповідно середнє значення напруженості магнітного поля в і‑ій феромагнітній ділянці і k-му зазорі; lFeі і lδk – відповідно довжина і-ї феромагнітної ділянки і k-го зазору.
Перемноживши всі члени на μ0, для випадку коли всі зазори однакові (lδk = lδ) і використовуються ПХ однієї чутливості SВ, отримаємо
(7.13)
З
цього виразу видно, що сумарна напруга
ПХ пропорційна до вимірюваного струму,
якщо
В промислових приладах це співвідношення не перевищує 0,01 при струмах І ≥ 15 кА,
Похибка таких приладів в основному визначається гістерезисом та нелінійністю основної кривої намагнічування магнітопроводу і при вимірюванні струмів до 150 кА становить 0,2…0,5%. Основним недоліком є велика маса магнітопроводу і значні габарити.
Рисунок 7.8 - Схема вимірювання струмів
приладом
з феромагнітним контуром