Измерения магнитных величин

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время магнитные  измерения получили широкое распространение. Это объясняется успешным развитием  многих областей в современной науке, техники и промышленности, которое  неразрывно связано с производством  и применением различных ферромагнитных металлов и сплавов.

Расширение экспериментальных  исследований в области физики магнитных  явлений сопровождается разработкой  новых, более прецизионных методов  измерения. В связи с этим разрабатываются  новые методы и установки, усовершенствуются  известные методы. В настоящее  время выпускают магнито-измерительные  средства самого различного назначения. Эти приборы основаны на различных  принципах работы, разрабатываются  и выпускаются предприятия различных  ведомств. В некоторых случаях  магнито-измерительные приборы закупаются у зарубежных фирм. Актуальной задачей  является обеспечение единства и  достоверности измерений, осуществляемых с помощью этих средств [3].

Решение данной задачи связано  с созданием эталонов магнитных  единиц и образцовых магнито-измерительных  средств, используемых для градуировки  и рабочих приборов. Дальнейшее совершенствование  рабочих приборов связано с совершенствованием эталонов и образцовых средств измерений.

Целью данной курсовой работы является изучение магнитных измерений, принципов построения приборов и  способы измерения магнитного потока, магнитной индукции и напряженности  магнитного поля.

Основными задачами, рассматриваемыми в данной курсовой работе являются:

1. Ознакомление с общими сведениями магнитных измерений.
2. Принципы построения приборов, измеряющих магнитные измерения.
3. Ознакомление с общими сведениями о магнитных эталонах. 
   1 Общие сведения о магнитных измерениях

1.1 Определение  задач магнитных измерений 

Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями  магнитных величин, обычно называют магнитными измерениями. С помощью  методов и аппаратуры магнитных  измерений в настоящее время  решаются самые разнообразные задачи. В качестве основных можно назвать  следующие:

• измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и т. д.);
• определение характеристик магнитных материалов;
• исследование электромагнитных механизмов;
• измерение магнитного поля Земли и других планет;
• изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);
• исследование магнитных свойств атома и атомного ядра;
• определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и т.д.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных  измерений, определяются обычно всего  несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность М, магнитный момент T и др. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла, связывающее магнитное поле с полем электрическим; эти поля являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем.

Используются в магнитных  измерениях и другие (не только электрические) проявления магнитного поля, например механические, оптические.

1.2 Магнитные величины и их основные характеристики

Единицы магнитных величин  воспроизводятся с помощью соответствующих  эталонов. У нас в стране имеется  первичный эталон магнитной индукции и первичный эталон магнитного потока. Для передачи размера единиц магнитных  величин от первичных эталонов рабочим  средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые и рабочие  меры магнитных величин и образцовые средства измерений. Примером передачи размера единиц может служить  градуировка или поверка приборов для измерения магнитных величин, которая проводится с помощью  мер магнитных величин и образцовых средств измерений.

В качестве меры магнитной  индукции (напряженности магнитного поля) могут быть использованы катушки  специальной конструкции (например, кольца Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток, постоянные магниты.

В качестве меры магнитного потока обычно используют взаимоиндуктивную  меру магнитного потока, состоящую  из двух гальванически не связанных  между собой обмоток и воспроизводящую  магнитный поток, сцепляющийся с  одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический  ток.

1.3 Методы магнитных  измерений

В основе классификации методов  магнитных измерений лежит физическая сущность явлений, используемых для  измерительного процесса, т.е. преобразование магнитной величины в электрический  сигнал.

В связи с этим различают  индукционные методы измерения магнитных  величин; методы, основанные на взаимодействии двух магнитных полей; методы, основанные на влиянии магнитного поля на физические свойства веществ.

Методы измерения магнитных  величин лежат в основе испытаний  магнитных материалов. Все ферромагнитные материалы делятся на магнитно-твёрдые (МТМ) и магнитно-мягкие (МММ). Первые используются в качестве источников постоянных магнитных полей (постоянные магниты ПМ). Для них к настоящему времени сложились три направления  испытаний: исследование свойств МТМ, производственный контроль образцов МТМ, производственный контроль постоянных магнитов. При исследовании свойств  МТМ необходимо получать достаточно полную информацию о свойствах материала: начальная кривая намагничивания, предельная петля магнитного гистерезиса, кривые возврата для различных точек  размагничивающего участка и  др. Измерение индукции производится, как правило, индукционными и  гальваномагнитными преобразователями. Измерение напряжённости поля обычно сводится к измерению тока в намагничивающих  устройствах или получению информации о тангенциальной составляющей напряжённости  поля от индукционных или гальваномагнитных  преобразователей. Перемагничивание МТМ  может быть осуществлено постоянным и переменным полем. При намагничивании материала постоянным полем получаются статические характеристики. При  непрерывном циклическом изменении  поля получаются динамические характеристики, которые в инфранизком диапазоне  частот перемагничивания могут быть приближены к статическим с необходимой  точностью.

Для обеспечения правильности процесса производства МТМ и соответствующей коррекции технологического режима контролируются наиболее важные отдельные параметры материала, в частности, коэрцитивная сила Н_с. Алгоритм получения Н_с сводится к фиксации нулевых значений магнитной индукции или намагниченности и отсчёту напряжённости поля.

В основе классификационных  признаков контроля постоянных магнитов лежат вид контролируемых параметров, способ получения информации. Различают  контроль по магнитному потоку в системе, близкой к рабочей; контроль по размагничивающему  участку. По способу, получения выходной информации различают устройства с  непосредственным отсчётом и дифференциальным способом измерения – получением информации в виде разности характеристик  образцового и испытуемого ПМ.

Магнитно-мягкие материалы характеризуются магнитными параметрами, измеряемыми в постоянном и переменном полях. Основными измеряемыми характеристиками, в постоянных полях для МММ являются: основные кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса и её параметры (В_г, Н_с), начальная и максимальная магнитные проницаемости. ГОСТ 8.377 устанавливает в качестве основного балластический метод исследования свойств материала. В настоящее время в связи с разработкой промышленностью унифицированных электронных устройств широкого применения получил распространение метод непрерывного медленно изменяющего поля [№8.377-80].

В переменных полях основными  характеристиками МММ являются основная динамическая кривая намагничивания, динамическая петля гистерезиса, комплексная  магнитная проницаемость и удельные потери. Кроме того, в зависимости  от частотного диапазона испытания  существует ещё целый ряд определяемых характеристик и параметров. Наиболее часты испытания МММ в частотном  диапазоне 50 Гц – 10 кГц. Основными методами испытания в этом диапазоне частот являются: индукционный с использованием амперметра, вольтметра, ваттметра; индукционный с использованием фазочувствительных приборов (феррометрический); индукционный с использованием потенциометра  переменного тока; индукционный с  использованием феррогафа (осциллографический); индукционный с использованием стробоскопических  преобразователей; параметрический (мостовой).

Индукционные методы характеризуются  измерением ЭДС, индуктированных в  измерительных катушках. Использование  амперметра и вольтметра даёт возможность  определения динамической относительной  проницаемости. Являясь наиболее простым, этот способ измерения обладает большой  погрешностью (до 10 %) и не обеспечивает возможности определение потерь в образцах. Использование ваттметра  стандартизировано для определения  потерь в образцах из МММ. испытаний  погрешность измерения (5-8 %), широкий частотный диапазон испытания (до 10 кГц). К недостаткам следует отнести малый объём информации и увеличения погрешности при перемагничивании до индукции свыше 1,2 Тл из-за отклонения формы кривой от синусоидальной.

В основу феррометрического  способа измерения положено определение  мгновенных значений периодических  несинусоидальных величин с помощью  фазочувствительных приборов. Связь  среднего значения производной функции  и мгновенного значения самой  функции является здесь основой  использования инерционных приборов для регистрации динамических характеристик  МММ.

К преимуществам феррометрического  способа измерения относятся: малая  погрешность (2-5 %); возможность определения большого числа магнитных характеристик, в том числе и расчёта потерь. Недостатками способа являются ограниченность размеров образцов и частотного диапазона; длительность процесса измерений и обработки результатов; относительно высокая стоимость устройств.

Осциллографическим способом пользуются для измерения и визуального  наблюдения основной динамической кривой намагничивания, семейства симметричных петель гистерезиса, потерь в образцах на частотах от 50 до 
500 Гц. К недостаткам способа следует отнести необходимость замеров на экране осциллографа, что связано с увеличением объективных и субъективных погрешностей отсчёта.

Наиболее точным из индукционных методов испытания МММ является потенциометрический, основанный на измерении  сигналов, пропорциональных В и Н, с помощью потенциометров переменного  тока. Этим способом определяются зависимость  магнитной индукции от напряжённости  магнитного поля, составляющие комплексной  магнитной проницаемости, полные потери. Достоинствами способа являются высокая точность измерения и  широкий диапазон измеряемых величин. К недостаткам относятся: длительность процесса измерения, высокая стоимость  используемой аппаратуры и её сложность.

Сущность стробоскопического способа измерения заключается  в том, что исследуемые периодически изменяющиеся сигналы произвольной формы умножаются на так называемый строб-импульс. При этом перемножение в каждом последующем периоде  происходит со сдвигом во времени  на некоторый интервал (шаг считывания) по отношению к предыдущему. В  результате можно произвести и затем  воспроизвести считывание всего  периода исследуемого сигнала по точкам. Это даёт возможность подобно  феррометрическому способу использования  для регистрации быстроизменяющихся процессов инерционных самопишущих  и цифропечатающих приборов. Основным достоинством стробоскопического способа  измерения является возможность  получения документальной информации о характеристиках ФММ в процессе перемагничивания последних. Параметрический  метод испытания магнитных материалов заключается в определении индуктивности  и сопротивления катушки с  испытуемым магнитопроводом путём  уравновешивания мостовой схемы. В  основном этот метод предназначен для  определения характеристик в  области слабых полей. Преимуществами его являются: высокая точность измерения, широкий частотный диапазон испытания. К недостаткам относятся: зависимость  результатов измерения от индуктивных  и емкостных помех, создаваемых  элементами схемы измерения; увеличение погрешности на низких частотах испытания; сложность и длительность процесса испытания.

Существуют и другие методы испытания МММ в динамическом режиме перемагничивания, однако технико-эксплуатационные характеристики устройств на их основе не эффективны в условиях массовых испытаний. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА, МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

2.1 Применение баллистического гальванометра

В лабораторной практике при  исследованиях электрических машин, аппаратов, трансформаторов, при испытаниях магнитных материалов, применяемых в производстве на электротехнических заводах, часто возникает необходимость измерения магнитных величин, например: магнитного потока, магнитной индукции, магнитодвижущей силы, напряженности магнитного поля, магнитной проницаемости, а также потерь на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных материалах.

В большинстве случаев  магнитные величины измеряют косвенным методом - путем измерения тех или иных электрических величин (тока, ЭДС, количества электричества), функционально связанных с измеряемой магнитной величиной. Измерения магнитных величин в настоящее время составляют большой самостоятельный раздел измерительной техники с глубоко развитой теорией.

Некоторые методы и аппаратуру для магнитных измерений используют не только в лабораториях, специализированных в области магнитных измерений, но также и в более универсальных  лабораториях, занимающихся испытаниями  и исследованиями электрических  машин и аппаратов. К числу  широко распространенных магнитных  измерений относятся:

а) измерения при помощи баллистического гальванометра;

б) измерения с помощью  флюксметра;

в) определение потерь в  стали ваттметровым методом;

г) измерения переменных магнитных потоков при помощи потенциометра.

На рисунке 1 приведена схема, поясняющая общий принцип измерения постоянного магнитного потока с помощью баллистического гальванометра. Для измерения магнитного потока к гальванометру необходимо присоединить измерительную рамку с некоторым числом витков w, находящуюся в исследуемом постоянном магнитном поле. Витки рамки будут охватывать некоторый поток Ф_X. В основу действия данного прибора положен принцип, согласно с которым первый наибольший отброс указателя баллистического гальванометра пропорционален числу   потокосцеплений магнитного потока с витками измерительной рамки.

Рисунок 1. Схема, поясняющая принцип измерения  магнитного потока при помощи баллистического гальванометра

На рисунке 1 приведена практическая схема применения баллистического гальванометра для снятия кривой намагничивания, т. е. для определения зависимости B=f(H). На кольцевой сердечник из исследуемой стали накладывают две обмотки: намагничивающую  и измерительную. К измерительной обмотке подключается баллистический гальванометр. Намагничивающая обмотка питается от источника постоянного тока через

амперметр и реостат. Переключатель позволяет изменять направление тока в обмотке.

Напряженность магнитного поля внутри кольцевого соленоида (тороида) может быть подсчитана на основании закона полного тока по формуле (2.1) :

                                             _(2.1)

где  w_i – число витков намагничивающей обмотки;

l – значение тока, A;

l_ср – средняя длина силовой магнитной линии в тороиде, отмеченная на рисунке 1 пунктиром и легко вычисляемая по геометрическим размерам испытуемого образца.

Для определения зависимости B=f(H) в намагничивающей обмотке устанавливают ток, соответствующий заданному значению H и заранее подсчитанный по приведенной формуле, затем быстро изменяют направление тока в обмотке при помощи переключателя. При перемене направления тока магнитный поток в сердечнике изменится по сложному закону от значения +Ф до значения -Ф, т. е. изменение потока в измерительной рамке будет равно 2Ф, и с учетом этого подсчитывают поток в сердечнике по формуле (2.2) :

                                                _(2.2)

Зная поток и поперечное сечение испытуемого образца, находят  значение магнитной индукции по формуле (2.3) :

                                                                _(2.3)

где s — сечение образца, см².

Найденное значение В и ранее вычисленное значение Н позволяют подсчитать магнитную проницаемость по формуле (2.4) :

                                                               (2.4)

2.2 Флюксметр

Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром.

Флюксметр представляет собой  прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной  рамке осуществляется не через пружинки, а через безмоментные спирали, т. е. в его измерительном механизме  отсутствует противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при отсутствии тока в обмотке  рамки может занимать любое положение  относительно шкалы. На рисунке 2 приведена схема устройства флюксметра.

Флюксметр, как и большинство  гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы  при внешнем сопротивлении, меньшем 20 Ом, подвижная часть оказывалась в режиме переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции.

На рисунке 2 приведена схема, поясняющая процесс измерения магнитного потока при помощи флюксметра. Для измерения магнитного потока, например постоянного магнита 1, к зажимам флюксметра присоединяется измерительная рамка 2, состоящая из достаточного количества витков медной проволоки. Если эту рамку надеть на испытуемый магнит, то во время перемещения рамки 2 в ней будет наводиться ЭДС, создающая ток в цепи прибора. Под действием этого тока подвижная рамка 3 прибора начнет поворачиваться. После того как измерительная рамка 2 будет приведена в положение, показанное на рисунке 2, и остановлена, ЭДС, действовавшая в ней, исчезнет, но рамка 3 по инерции будет еще немного продолжать двигаться. Переместившись на некоторый угол a от начального положения, рамка 3 остановится.

Теория флюксметра показывает, что движение рамки прекращается после того, как число потокосцеплений  витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на столько же, сколько  создалось потокосцеплений измерительной  рамки 2 с измеряемым потоком Ф.

Если успокоение прибора  достаточно велико, для чего сопротивление  цепи рамки не должно превышать некоторый  определенный для данной конструкции  предел (обычно 8-20 Ом), то между углом поворота стрелки флюксметра и измеряемым магнитным потоком будет иметь место простая зависимость (2.5) :

                                                            _(2.5)

Ф – измеряемый поток;

w — число витков измерительной  рамки 2;

С_Ф— постоянная флюксметра в максвелл-витках или вебер-витках на одно деление шкалы.

Определение постоянной флюксметра С_Ф производится таким же способом, как и определение постоянной баллистического гальванометра, с применением образцовых взаимных индуктивностей.

При описанном устройстве флюксметра работа с ним затрудняется из-за невозможности установки его  подвижной части в нулевое  положение, так как при снятии катушки 2 с испытуемого магнита  рамка 3 хотя и получит толчок в  обратном направлении, но не придет точно  в исходное нулевое положение. Это  обусловлено неизбежным необратимым  рассеиванием энергии в виде тепла, выделяемого током в цепи рамки, а также потерями энергии на трение в опорах подвижной части прибора  и трение ее о воздух. В изготовляемых  микровеберметрах имеется дополнительное приспособление, которое называется электромагнитный корректор, позволяющий устанавливать стрелку прибора в любое положение, в частности и на нулевую отметку. Устройство подобно механизму магнитоэлектрического прибора: между полюсами постоянного магнита помещена рамка 5, которую можно поворачивать от руки головкой 6.

Для изменения положения  указателя флюксметра относительно его шкалы, в частности для  установки указателя на нулевую  отметку, переключатель 7 переводят  в положение, отмеченное буквой К, при котором рамка прибора соединяется с рамкой корректирующего устройства. При этой схеме поворот рамки 5 головкой 6 будет вызывать соответствующее изменение положения указателя флюксметра. Установив указатель флюксметра в желаемое положение, переводят переключатель 7 в рабочее положение, отмеченное на рисунке 2 буквой И.

Флюксметр является прибором менее чувствительным, чем баллистический гальванометр, и поэтому не может  применяться для измерения слабых магнитных полей.

При измерении достаточно сильных полей флюксметр имеет  ряд преимуществ по сравнению  с баллистическим гальванометром. Постоянная флюксметра практически не изменяется при изменении внешнего сопротивления  цепи рамки в достаточно широких пределах от нуля до 8-20 Ом Наибольшее допустимое значение этого сопротивления указано на шкале прибора. Показания флюксметра остаются правильными при изменении в широких пределах скорости удаления (или внесения) измерительной рамки из магнитного поля. При работе с баллистическим гальванометром эта операция должна производиться очень быстро (за 0,1-0,2 секунды) Указатель флюксметра, отклонившись на определенный угол, остается в этом положении неподвижным достаточно долго для спокойного отсчета показаний. В противоположность этому, при работе с баллистическим гальванометром для обеспечения правильности отсчета максимального отклонения указателя требуется большое напряжение внимания.

2.3. Пермеаметры

Пермеаметры - устройства, позволяющие быстро и удобно осуществлять относительно равномерное намагничивание образцов стали, имеющих форму стержней круглого или прямоугольного сечения. На рисунке 3 а дан внешний вид одной из конструкций пермеаметра, а на рисунке 3 б приведена схема включения его.

Основными частями этого  пермеаметра являются массивная  рама 1 из мягкой стали с высокой  магнитной проницаемостью и две  обмотки w₁ и w₂. Через боковые отверстия в раму вводится испытуемый образец Р, плотно зажимаемый при помощи специальных конических втулок. Обмотка w₁ является намагничивающей, обмотка w₂ служит для включения баллистического гальванометра. Переключатель 2 позволяет включать и изменять направление тока в намагничивающей обмотке. Порядок определения магнитного потока в испытуемом образце остается таким же, как и при испытании кольцевой пробы. Некоторое затруднение возникает с вычислением напряженности магнитного поля Н. Вычисление ее по формуле (2.6):

                                                     _(2.6)

где l – длина образца, было бы справедливо только при бесконечно малом магнитном сопротивлении ярма и стыков пробы с ярмом

Сопротивлением этим можно  пренебречь при испытании материалов с низкой магнитной проницаемостью   (чугун,  поделочные стали), при испытании проб с высокой магнитной проницаемостью необходимо при вычислении напряженности поля вводить поправки. Эти поправки даются в виде кривых срезывания, прилагаемых к прибору.

Амперметры, предназначенные  для пермеаметров, иногда градуируют не в амперах, а в значениях  напряженности магнитного поля исходя из приведенной выше зависимости  между Н и I.

2.4 Исследование  стали в переменном магнитном  поле

Магнитные свойства стали, определенные описанными выше способами на постоянном токе, позволяют определить характеристики стали и при переменном магнитном  потоке В частности, по площади петли гистерезиса можно подсчитать потери на гистерезис при переменном потоке. По эмпирическим формулам могут быть вычислены и потери на вихревые токи Подобные вычисления дают только приближенные результаты, поэтому желательно определять характеристики электротехнических сталей на переменном токе путем непосредственных измерений.

Ваттметровый  метод. На рисунке 4 дан общий вид, а на рисунке 5 приведена схема аппарата для определения ваттметровым методом потерь в пробах листовой стали, применяемой для   изготовления магнитопроводов электрических машин и трансформаторов. Четыре гетинаксовые втулки 1 прямоугольного сечения укреплены на общем основании, образуя квадрат. На втулках помещены две обмотки с равным числом витков: w₁ намагничивающая и w₂ — измерительная. Во втулки закладывают пакеты 2 из листов испытуемой стали. Стыки пакетов тщательно стягиваются при помощи особых зажимов, не показанных на схеме. Для устранения потерь в стыках в них закладывают тонкие прокладки из электротехнического картона, толщина которых предварительно тщательно измеряется микрометром и в дальнейшем учитывается при подсчете намагничивающих ампер-витков.

Рисунок 4. Аппарат для определения потерь в стали

Намагничивающая обмотка  питается от источника переменного тока с регулируемой частотой,  измеряемой частотомером Hz. К вольтметру V и к параллельной обмотке ваттметра подается напряжение от измерительной обмотки. Переменный ток, проходя по намагничивающей обмотке, создает в сердечнике переменный магнитный поток с амплитудным значением Ф_м. На рисунке 5 представлена схема для определения потерь в стали ваттметровым методом.