Раздел № 8 Измерение электромагнитных величин.

Магнитные измерения составляют неотъемлемую часть всей электроизмерительной техники. При этом удельный вес магнитных измерений среди других непрерывно возрастает. Объясняется это все более широким использованием магнитных явлений в науке и технике, значительным ростом выпуска ферромагнитных материалов (ФММ) и применением их в электротехнических устройствах, приборах и автоматике.

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 – 80 устанавливает в качестве основного баллистический метод исследования свойств материала. В настоящее время в связи с разработкой промышленностью унифицированных электронных устройств широкого применения получил распространение метод непрерывного медленно изменяющего поля.

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 феррографа (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.

Преимуществами ваттметрового способа являются простота и высокая производительность, сравнительно небольшая для промышленных 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 формы.

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.

В данном разделе применена одна лабораторная работа с использованием осциллографа, поэтому все остальные методы только упоминаются эскизно.

Изучение частот колебаний также касается и измерений магнитных материалов, поэтому из этого раздела необходимо заимствовать сведения для разделов 7, 9, 10 и, следовательно, наоборот, из разделов 7, 9, 10 в раздел 8.

Для организации лабораторных работ по разделу № 8 измерения электромагнитных величин на кафедру МСиС ТФ ГОУ ОГУ приобретена лабораторная установка «Методы измерения электрических величин МСИ 6», - паспорт МСИ 6 ПС от Министерства образования РФ ФГО ООО «ИНТОС+» заводской № 009 по ТУ 9.461 – 2004 дата изготовления и упакована для отправки в ГОУ ОГУ на кафедру МСиС ТФ 15.09 2008 года:

1 Назначение

Установка лабораторная «Методы измерения частоты МСИ 6» (далее –установка) является частью учебно – лабораторного комплекса, используемого для проведения лабораторных работ при изучении дисциплины «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» для специальности 200503 – Стандартизация и сертификация и 220501 – Управление качеством.

Установка должна эксплуатироваться в помещениях при температуре воздуха от+ 10°Сдо + 35°С, относительной влажности воздуха до 80 % при 25 ° С.

2 Основные технические данные

Установка предназначена для формирования частот заданного спектра в электрической и оптической формах, измерение частоты промышленными приборами

220 ± 22 50 ± 0, 4 не более 5

2.1 Питание от сети переменного тока:
- напряжением, В

- частотой, Гц

Потребляемая мощность, В А

2.2 Характеристики

5,0 ±0,5 1,0±0,1 5, 0 ±1,0 0, 5 ± 0, 2 не более 200 не более 150 не более 100 не более 1,0 не менее 1000

2.2.1 Максимальное значение формируемой
частоты, кГц

2.2.2 Минимальное значение формируемой
частоты, кГц

2.2.3 Максимальное значение напряжения
электрического сигнала, В