книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Для точки А (рис. 18.2) нормальная магнитная проницаемость оп­ ределяется как тангенс угла наклона секущей ОА к оси абсцисс, т. е.

Начальная и максимальная проницаемости представляют собой частные случаи нормальной проницаемости:

Дифференциальную проницаемость рДНф определяют как производ­ ную от магнитной индукции по напряженности магнитного поля для любой точки кривой намагничивания:

_ 1 ав

^янф “ 1чГ Ж

Понятие рднф чаще всего используют при анализе вопросов, свя­ занных с одновременным действием на магнитный материал постоян­ ного # 0 и переменного магнитных полей (обычно при условии Я „ « # 0).

При намагничивании магнитного материала переменным периоди­ чески изменяющимся магнитным полем магнитная индукция изменяет­ ся по кривой, которая называется динамической петлей гистерезиса.

Характер динамической петли определяется не только свойствами ма­ териала, но также режимом намагничивания (частотой и формой кри­ вой намагничивающего поля), формой и размерами образца. Геометри­ ческое место вершин динамических петель называется динамической кривой намагничивания.

Площадь как статической, так и динамической петли гистерезиса определяет полную мощность потерь за цикл перемагничивания. Пло­ щадь динамической петли больше статической за счет потерь на вихре­ вые токи и дополнительных потерь, определяемых в основном магнит­ ной вязкостью.

Рис. 18.4. Устройство пермеаметров

Однако при очень больших поперечных сечениях осевая неравномер­ ность поля может быть значительной. Отклонения напряженности маг­ нитного поля от среднего значения

ы _ /а» " ср ~

при осевом сечении образца будут незначительными, если отношение среднего диаметра ЯСр к размеру X (рис. 18.3, а) будет Оср/Х > 10. Кольцевые образцы применяют преимущественно для исследований листовых и ленточных материалов.

Листовые магнитные материалы исследуют также на образцах, на­ бранных из полос, из которых составляют четыре одинаковых по раз­ мерам пакеты и образуют магнитную цепь, размещая пакеты в виде квадрата (рис. 18.3, б). В углах квадрата полосы пакетов складывают встык или внахлестку. Недостатком такой магнитной цепи является то, что в местах стыка пакетов, образуются воздушные зазоры, а на­ магничивающие катушки охватывают не всю магнитную цепь. Нали­ чие зазоров может существенно исказить результат измерения. Напря­ женность поля Я в образце будет меньше расчетной Я, из-за размагни­ чивающего действия зазора и определяется в первом приближении соотношением

где кр = /3/(/ 4- /3) — коэффициент, характеризующий размагничиваю­ щий фактор; / и /3 — соответственно длина средней линии магнитопровода и ширина зазора.

При исследовании прямолинейных образцов прямоугольного или цилиндрического поперечного сечения для обеспечения равномерности намагничивания применяют п е р м е а м е т р ы . Пермеаметр содер­ жит массивное ярмо 1 (рис. 18.4, а) из магнитомягкого материала, ко­ торое, замыкая исследуемый образец 2, образует замкнутую цепь, и намагничивающую катушку 3. Такая конструкция пермеаметра позво­ ляет создавать в исследуемом образце напряженность поля до (6...8) X

X 104 А/м. _

Для исследований магнитных материалов в сильных полях приме­ няют пермеаметры, устройство которых схематически показано на рис. 18.4, б. Пермеаметр состоит из электромагнита, между полюсами 2 которого зажимают исследуемый образец 1. Намагничивающие об­ мотки 3 размещены на полюсах электромагнита, что дает возможность

создавать поля напряженностью до 1 10* А/м. Для измерения напря­ женности поля в образце используют потенциалометр Я, а для изме­ рения индукции — измерительную катушку о>0.

18.3. Определение статических характеристик

Одним из наиболее распространенных методов определения харак­ теристик магнитных материалов в постоянных магнитных полях являет­ ся индукционно-импульсный метод исследования.

Принципиальная схема исследования магнитных характеристик индукционно-импульсным методом приведена на рис. 18.5. Исследо­ вания проводятся обычно в такой последовательности.

сцеплению переключатель ЗА1 ставят в положение 1. При замкнутых ключах 8АЗ и 8А4 по амперметру РА1 устанавливают такое значение тока /, при изменении направления которого указатель гальваномет­ ра (при заданном сопротивлении измерительной цепи) отклонится на всю длину шкалы. Затем~переключатель 5А5 устанавливают в поло­ жение В и размыкают ключ 5АЗ. С помощью переключателя 8А2 изменяют направление тока в катушке взаимоиндуктивности на про­ тивоположное и отсчитывают баллистический отброс указателя галь­ ванометра. Цена деления по потокосцеплению определяется по формуле

2М/

а Вшах

где М — коэффициент взаимной индуктивности; I — ток по показа­ нию амперметра РА1\ авшах — баллистический отброс указателя гальванометра при измерении потока индукции.

Аналогично определяют цену деления гальванометра по напряжен­ ности поля (переключатель 5А5 в положении Я). Тогда

2М1

а#тах

2. П о д г о т о в к а и с с л е д у е м о г о о б р а з ц а . Посколь­ ку перед испытанием .магнитное состояние образца неизвестно, его нужно размагнитить. Для этого переключатель 8А1 ставят в положе­ ние 2 и при замкнутых ключах 5АЗ, 8А4 устанавливают с помощью амперметра РА1 такой намагничивающий ток, чтобы Я ^ 50 Яе.

Уменьшая постепенно реостатом К1 значение тока до минимально воз­ можного, одновременно переключателем 5АЗ периодически меняют направление перемагничивающего тока. Размагничивание может быть проведено и переменным полем с убывающей до нуля амплитудой. Для этой цели применяются специальные размагничивающие устройства.

3. О п р е д е л е н и е т о ч е к о с н о в н о й к р и в о й н а ­ м а г н и ч и в а н и я . Установив монотонно ток 1Х, который соответ­ ствует наименьшей напряженности поля Нъ проводят магнитную под­ готовку образца. Для этого при замкнутых ключах 5ЛЗ и 8А4 с по­ мощью переключателя 8АЗ многократно (не менее 10 раз) изменяют направление намагничивающего тока 1Х. Затем размыкают ключ 5Л5

где по» — число витков измерительной катушки напряженности поля; 8 Н— площадь ее поперечного сечения (удобнее вместо произведе­ ния понВн в формулу подставить значение постоянной катушки поля

(а»5)я, если оно определено заранее).

При исследовании кольцевых образцов значение напряженности поля можно определить по формуле

11х»н

Иг

' с р ’

где 1Ср — длина средней линии образца.

Таким образом получают координаты точки Ах. В том же порядке определяют и другие точки (Л2 и т. д.), по которым строят основную кривую намагничивания (рис. 18.6, а).

Определение петли гистерезиса начинают обычно с точки, которая соответствует наибольшей напряженности поля + Ятах (рис. 18.6, б): регулируя сопротивление резистора К1, устанавливают по амперметру РА1 ТОК /тах. при КОТОрОМ НЭПрЯЖеННОСТЬ ПОЛЯ будет -+- Яшах (ключ 8А4 замкнут). Далее выполняют магнитную подготовку образца и измеряют Вшах, как при определении основной кривой намагничива­ ния. Затем замыкают ключ ЗАЗ и размыкают 8А4 и, не изменяя со­ противления резистора Р1, увеличивают сопротивление резистора Р2 (до размыкания 8А4 сопротивление резистора Р2 должно быть минимальным). Ток 1Х устанавливают таким, чтобы обеспечить значе­ ние напряженности + Ну. —

Рис. 18.6. К определению основной кривой намагничивания и петли гистерезиса магнитных материалов

Затем необходимо возвратиться в точку Ат. Для этого переключа­ телем 8А2 изменяют направление намагничивающего тока, после чего замыкают ключ 8А4; при этом намагничивающий ток увеличивает-

Таким же образом определяют и другие точки на нисходящей ветви петли гистерезиса до точки Вг, которая определяется при выключении тока (переключатель 8А2 в нейтральном положении).

Для определения точек петли гистерезиса, соответствующих отри­ цательным значениям напряженности поля, с помощью Я2 устанавли­ вают некоторое .значение тока, например /3, соответствующее напря­ женности поля ,4- Я3, обходят цикл и возвращаются в точку А т. Ра­ зомкнув ЗАЗ, размыкают ЗА4 и одновременно переключателем 8А2 изменяют направление тока до — /3 (соответствует напряженности поля — Я 8), наблюдая баллистический отброс авз шахТогда

Таким образом можно определить все точки нисходящей ветви пет­ ли до — Ат. Кривую петли гистерезиса (восходящую ветвь) достраи­ вают, пользуясь ее свойством симметричности.

При определении петли гистерезиса амперметр РА1 используется лишь для установки и контроля максимального тока, а измерения на­ магничивающего тока производят амперметром РА2.

Простым, производительным и в настоящее время достаточно точ­ ным методом определения динамической кривой намагничивания яв­ ляется метод амперметра, вольтметра и ваттметра. Этот метод приме­ няется для исследования магнитных материалов в звуковом диапазоне частот, однако его возможности в последнее время расширяются в сто­ рону более высоких частот. Измерения производятся по схеме, изобра­ женной на рис. 18.7.

При малых значениях активного сопротивления намагничивающей цепи практически обеспечивается режим синусоидальной индукции, напряженность магнитного поля при этом будет несинусоидальной. В этом случае амплитудное значение эквивалентной синусоиды напря­ женности поля,' определяемое по формуле

„_ I V 2щ

при измерении намагничивающего тока / амперметром действующего значения может существенно (до 8... 12 %) отличаться от максималь­ ного. Более точно максимальное значение напряженности можно по­ лучить по показаниям IIт амплитудного вольтметра РУ2, измеряя падение напряжения на резисторе Яц (на схеме рис. 18.7 показан штри­ ховой линией). Тогда

Если же активное сопротивление намагничивающей цепи достаточ­ но велико, то намагничивающий ток и напряженность поля будут практически синусоидальными, а индукция несинусоидальна. Послед­ нее обстоятельство существенной роли не играет, так как для опре­ деления амплитудного значения магнитной индукции Вт достаточно измерить среднее значение э. д. с., наведенной в обмотке по2. Тогда

Я= ______

т4/ш25 ’

что справедливо при любой форме кривой э. д. с. Для измерения э. д. с. применяют вольтметры средних значений, специально предназначен­ ные для магнитных измерений.

При измерении э. д. с., наведенной в обмотке до2, вольтметром дей­ ствующего значения максимальное значение индукции может быть оп­

где кф — коэффициент формы кривой э. д. с.

Учитывая, что вольтметром измеряется не э. д. с., а падение напря­

активное сопротивление обмотки

/

Ц»^-1.

Рис. 16.7» Принципиальная схема опре­ деления характеристик магнитных ма­ териалов методом амперметра, вольт­ метра и ваттметра

Потери при перемагничивании переменным током в звуковом диа­ пазоне частот можно определить с помощью ваттметра, как показано на рис. 18.7. Поскольку параллельная обмотка ваттметра присоедине­ на к измерительной обмотке о>2, число витков которой в общем случае может не совпадать с числом намагничивающих витков, показания ваттметра необходимо пересчитать соответственно до числа витков намагничивающей обмотки. Кроме того, при измерении малых мощностей может возникнуть методическая погрешность, для исклю­ чения которой необходимо учесть мощность, потребляемую вольтмет­ ром и параллельной обмоткой ваттметра. Тогда мощность потерь оп­ ределится как

Часто последовательную обмотку ваттметра необходимо включать через измерительный трансформатор тока, так как номинальные токи ваттметров достаточно большие, а испытания начинают при малых токах намагничивания. Обычно определяют удельные потери, т. е. потери, приведенные к единице массы или объема образца. Для прак­ тического осуществления измерений следует рекомендовать вольтметр

циальная установка У5010.

Описанный выше метод имеет также более совершенный вариант, в котором применяется магнитоэлектрический милливольтметр с вы­ прямителем, управляемым фазорегулятором. Обычно вся схема изме­ рения (рис. 18.8) конструктивно реализуется в виде устройства, назы­ ваемого ф е р р о м е т р о м .

Принцип его работы основан на том, что при однополупериодном выпрямлении среднее за период Т значение производной у' (г!) перио­ дической, симметричной относительно оси времени I, функции у (/) пропорционально мгновенному значению этой функции.

Этому условию соответствует такой режим намагничивания испы­ туемого образца, когда функции Я = Н Ц) и В = В (0 не содержат четных гармоник, т. е. являются периодическими симметричными

функциями, что легко обеспечивается при отсутствии подмагничивания образца постоянным током.

В этом случае любые два значения напряженности поля и индукции, сдвинутые по времени на половину периода, равны по значению и про­

Дифференцирующими элементами в схеме рис. 18.8 при измерении напряженности магнитного поля Я (тока »') является катушка взаимоиндуктивности М, э. д. с. вторичной обмотки которой

а при измерении индукции — сам исследуемый образец, э. д. с. вто­ ричной обмотки которого

с йВ е ,= -----гг- = — ЩЗ - л

м

Магнитоэлектрический прибор показывает среднее значение изме­ ряемой величины. Поэтому в положении 1 переключателя ЗА имеем;

где По — сопротивление милливольтметра; Пг — сопротивление вто­ ричной обмотки катушки взаимоиндуктивности; Пцн — По + #1 +

+Пн — сопротивление цепи милливольтметра при измерении Я.

Вположении 2 переключателя 5Л

Пцв = Н0 + Н2 + Нв сопротивление цепи милливольтметра при изме­ рении В.

Таким образом, показания милливольтметра Я^р и Ягер пропор­ циональны соответственно мгновенным значениям Я (0 и В (I).

I Регулируя фазу управляющего напряжения с помощью фазорегу­ лятора ФР, можно изменять угол сдвига фаз между управляющим й измеряемым напряжениями и определить значения напряженности

Для определения основной динамической кривой намагничивания Вт = ^ (Ят) как вершин динамических петель необходимо при каж­ дом значении намагничивающего тока плавно изменять фазу управля­ ющего напряжения до получения наибольших показаний милливольт-

чений напряжения от 10 мВ до 10 В, амплитудных значений тока от 10 мА до 10 А. Погрешность измерения составляет 0,5... 1,0 %, ди­ апазон регулирования фазы управляющего напряжения 240°

Характеристики магнитных материалов на переменном токе можно определять также мостовым методом. Применение мостов переменного тока сводится к измерению индуктивности обмотки А* и ее сопротив­

т. е. по значению упругой проницаемости |хх определяют амплитудную проницаемость цт .

Мостовым методом можно измерять магнитную проницаемость в широком диапазоне значений индукции — от весьма незначительной до индукции насыщения и в частотном диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Он практически незаменим для определения началь­ ной магнитной проницаемости при очень малых напряженностях магнитного поля, когда применять другие методы нельзя из-за их низкой чувствительности.

Диапазон учета влияния гармонических составляющих при мосто­ вом методе измерения зависит от избирательности нулевого индикато­ ра, и здесь представляются широкие возможности для получения же­ лательных характеристик. Практически для измерений может быть применен любой мост переменного тока, обеспечивающий измерение Ьх и Кх. Однако наиболее целесообразно применять мост Андерсена, обеспечивающий независимую регулировку по активной и реактивной составляющим сопротивления обмотки, что особенно важно на повы­ шенных частотах. Для измерения мостовым методом могут быть ис­ пользованы также специализированная установка У5017 или цифро­ вые мосты переменного тока.

Динамическую петлю перемагничивания образца 1 можно опре­ делить с помощью электронного осциллографа 2 (рис. 18.9). Чтобы на экране осциллографа получить петлю В (I) = [ [Н (/)], на горизонталь­ ные пластины подают напряжение Ц0, снимаемое с безреактивного резистора К0- Мгновенное значение этого напряжения

На вертикальные пластины подают напряжение, пропорциональ­ ное В (*). Между измерительной обмоткой ио2 и осциллографом вклю­