НПЦ
     
Тел./факс: +7 (495) 739-0785, +7 (495) 982-5912
Средства измерений параметров магнитных полей
Средства измерений электрических и радиотехнических величин
Медицинская физиотерапевтическая техника
Портативные универсальные миллитесламетры Холла
Проблемы метрологического обеспечения некоторых магнитных измерений
Эталонные источники магнитного поля для частот 0,01–30 МГц
Особенности применения миллитесламетров Холла
Гармонизация требований безопасности к контрольно-измерительным приборам и лабораторному оборудованию
Современные требования к испытаниям электрических медицинских приборов и аппаратов
Современные средства измерений параметров низкочастотных радиотехнических сигналов
Современные средства измерений нелинейных искажений и возможности их использования для метрологического обеспечения измерителей параметров качества электроэнергии
Прецизионные холловские средства измерений параметров магнитных полей
Некоторые аспекты испытаний средств измерений в целях утверждения типа
Подтверждение безопасности медицинского электрического оборудования
Контроль эффективности и безопасности применения медицинского ультразвукового оборудования в процессе его эксплуатации
Метрологическое обеспечение измерений коэффициента гармоник низкочастотных радиотехнических сигналов
О возможности использования миллитесламетров ТПУ в качестве рабочих эталонов
Тесламетр-веберметр универсальный ТПУ-2В


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.

 

 

 

© ЗАО "НПЦентр" Тел./факс: +7 (495) 739-0785, +7 (495) 982-5912; e-mail: info@npcentre.ru