|
|
Метрология-учебник. Задачи интенсификации производства, стоящие перед промышленностью и наукой нашей страны, требуют создания новых и совершенствования имеющихся технологических процессов и материалов, строгого контроля качества продукции
Глава третья ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН
Целью и содержанием магнитных измерений является исследование характеристик магнитных полей, материалов и образцов.
Магнитные измерения находят практическое применение при исследовании свойств материалов, испытаниях магнитных деталей и элементов, в магнитной дефектоскопии, при изучении магнитных полей Земли, при измерении и контроле магнитных полей в установках атомной и ядерной физики и т.п.
Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Магнитные материалы оценивают по их характеристикам и параметрам—статическим и динамическим.
3.1. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА, МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Измеряемые магнитные величины обычно предварительно преобразуются в электрические, более удобные для измерения. Преобразователи магнитных величин в электрические строятся на основе явлений электромагнитной индукции, ядерного магнитного резонанса, гальваномагнитного и некоторых других.
3.1.1. Использование измерительной катушки
Если измеряемый магнитный поток F сцеплен с катушкой, то в последней возникает ЭДС, определяемая формулой
(3.1)
где wk —число витков катушки.
Таким образом, катушка выполняет роль преобразователя магнитной величины в электрическую. Выбор формы, конструкции и размеров такого индукционного преобразователя, называемого измерительной катушкой, зависит от параметров магнитного поля и условий его измерения. В любом случае требуется, чтобы витки измерительной катушки были сцеплены лишь с измеряемым магнитным потоком.
Выражение (3.1) можно преобразовать к виду
и проинтегрировать:
или
(3.2)
Из (3.2) следует, что изменение потока за время t=t2—t1 можно определить, проинтегрировав ЭДС в указанном временном интервале. Интегрирование можно осуществить различными способами. В магнитных измерениях для этих целей обычно используют баллистический гальванометр или веберметр.
Для измерения постоянного магнитного потока при помощи баллистического гальванометра собирается цепь, представленная на рис. 3.1. Измерительная катушка с числом витков wк сопротивлением Rк подключается к баллистическому гальванометру, рамка которого имеет сопротивление Rr . Измерение производится следующим образом. Измерительная катушка сначала помещается в измеряемый магнитный поток так, чтобы плоскость ее витков была перпендикулярна магнитному полю. Затем катушка быстро выносится из области магнитного поля. Возникающий при этом в соответствии с (3.1) импульс ЭДС уравновешивается падением напряжения в цепи:
(3.3)
где i —мгновенное значение тока; R=Rk+Rr —активное сопротивление цепи; L —ее индуктивность.
С учетом (3.3) выражение (3.2) можно переписать в виде
где Q —количество электричества.
Интегрирование с учетом начальных и конечных условий
(3.4)
Поскольку первый отброс буказателя баллистического гальванометра (см. §2.2) связан с количеством электричества в импульсе тока соотношением
то
(3.5)
где Спостоянная гальванометра по магнитному потоку (цена деления), которая определяется экспериментально.
Схема для определения Спредставлена на рис. 3.2. При переключении переключателя SA из положения 1 в положение 2 направление тока вобмотке w1 , катушки взаимной индуктивности изменится на противоположное, т.е. I=2I1, и во вторичной обмотке произойдет изменение потока, равное
где М—коэффициент взаимной индукции катушки.
Такое изменение потока приводит к отклонению стрелки баллистического гальванометра б . Следовательно, цена измерителя магнитного потока
(3.6)
Относительная погрешность измерения магнитного потока при помощи баллистического гальванометра обычно составляет десятые доли процента.
При измерении постоянного магнитного потока магнитоэлектрическим веберметром в качестве первичного преобразователя также используется измерительная катушка. Веберметр представляет собой магнитоэлектрический механизм, не имеющий противодействующего момента и работающий в апериодическом режиме. Схема его включения аналогична схеме включения баллистического гальванометра, показанной на рис, 3.1. Веберметр работает следующим образом. Вначале измерительная катушка помещается в измеряемый постоянный магнитный поток так, чтобы плоскость ее витков была перпендикулярна магнитному полю. Затем катушка быстро убирается из области магнитного потока. При изменении магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой, =wk, возникает ЭДС, вызывающая ток в замкнутой цепи. Под влиянием тока рамка веберметра повернется на некоторый угол в, причем изменение потока, сцепленного с рамкой веберметра, в =wвBвsв в, оказывается примерно равным - Ф. (В замкнутой электрической цепи суммарное потокосцепление стремится сохранить свое значение.) Таким образом,
(3.7)
или
(3.8)
где wв и sв—число витков и площадь рамки веберметра соответственно; Bв— магнитная индукция, создаваемая магнитом веберметра; С—цена деления веберметра.
Поскольку постоянная веберметра не зависит от сопротивления цепи, он имеет шкалу, отградуированную в единицах магнитного потока—веберах.
Из-за отсутствия противодействующего момента указатель веберметра может занимать произвольное положение. Для установления его на нулевую отметку шкалы применяют электромеханический корректор, представляющий собой вспомогательный магнитоэлектрический механизм, рамку которого можно вращать специальной ручкой. Электромеханический корректор подключается к выводам веберметра. Поворот рамки корректора приводит к возникновению ЭДС, которая вызывает в рамке веберметра импульс тока, отчего рамка приводится в движение. Это позволяет установить указатель на нулевую отметку шкалы.
Веберметр удобно использовать при измерениях магнитного потока, но его чувствительность и точность уступают измерителям на основе баллистического гальванометра. Классы точности веберметров 1,5-2,5.
Баллистические гальванометры и веберметры можно использовать также для определения магнитной индукции и напряженности постоянного магнитного поля исходя из соотношений между этими величинами и магнитным потоком:
(3.9)
(3.10)
где Sk —площадь витка измерительной катушки; 0 —магнитная постоянная (0=410-7 Гн/м).
3.1.2. Использование гальваномагнитных преобразователей
Гальваномагнитными называются преобразователи, использующие гальваномагнитные явления, которые возникают при помещении некоторых материалов в магнитное поле. К таким явлениям, в частности, относятся эффекты Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС на боковых гранях помещенной в магнитное поле полупроводниковой пластинки, если по ней протекает ток. Принцип построения прибора для измерения магнитной индукции с преобразователем Холла представлен на рис. 3.3. Через полупроводниковую пластинку, плоскость которой расположена перпендикулярно магнитному полю B, от грани a к грани b протекает постоянный ток I На гранях c и d возникает ЭДС
(3.11)
где Rx —постоянная Холла, зависящая от материала пластинки; h- толщина пластинки.
Достоинствами приборов на основе эффекта Холла является возможность измерения как постоянных, так и переменных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователей. Недостатком является сравнительно большая зависимость ЭДС от температуры. Основная погрешность обычно составляет десятые доли процента, диапазон измерений—от сотых долей до единиц тесла.
 Эффект Гаусса положен в основу магниторезистивных преобразователей, электрическое сопротивление которых изменяется под воздействием магнитного поля. Приборы на эффекте Гаусса не получили широкого распространения, поэтому ограничимся лишь указанием на их существование
3.1.3. Использование преобразователей на основе ядерного магнитного резонанса
Преобразователи этого типа используют квантовое явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которым обладают материалы, содержащие ядра атомов, имеющих магнитный момент (например, вода, содержащая ядра атомов водорода). Если образец из такого материала поместить в измеряемое постоянное поле с индукцией B-и, кроме того, воздействовать на него переменным высокочастотным магнитным полем с индукцией В
и изменяющейся частотой, то при некотором значении частоты f возникает резонансное поглощение высокочастотной энергии образцом. Эта частота равна
(3.12)
 где —гиромагнитное отношение—величина, постоянная для данного вида атомов.
Принцип измерения индукции магнитного поля при помощи ЯМР преобразователей ЯМРП иллюстрируется рис. 3.4. Образец (ампула с водой) помещен внутрь катушки К. Катушка подключена к высокочастотному генератору G , поэтому вдоль ее оси возбуждается высокочастотное магнитное поле В
. При измерениях индукции постоянного магнитного поля В- поле В
должно быть расположено перпендикулярно ему. Плавное изменение частоты генератора G позволяет установить частоту f , на которой имеет место ядерный магнитный резонанс и рост поглощения высокочастотной энергии ядрами вещества. При резонансе напряжение на зажимах катушки К уменьшается, что фиксируется на экране осциллографа. Резонансная частота f измеряется цифровым частотомером Н z. Тесламетры с ЯМР-преобразователями обладают высокой точностью (их погрешность может не превышать 10-4 %) и широким диапазоном измерений (10-5—102 Тл).
3.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 3.2.1. Статические характеристики
Характеристики магнитных материалов, определяемые в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях, называются статическими. К основным статическим характеристикам относятся начальная кривая намагничивания, основная кривая намагничивания и предельная симметричная петля гистерезиса.
 Начальной кривой намагничивания называется зависимость магнитной индукции В от напряженности намагничивающего поля Н. В начальном состоянии материал должен быть размагниченным (Н= 0, В=0). При достаточном увеличении Н начальная кривая намагничивания В(Н) становится пологой (достигает насыщения) (рис. 3.5). Если движение по начальной кривой намагничивания прекратить, достигнув некоторой точки А (Н1, В1 ,), и плавно изменить напряженность поля Н до значения—Н, и обратно, то кривая зависимости В(Н) опишет замкнутую петлю, называемую симметричной петлей гистерезиса. Каждой точке начальной кривой намагничивания будет соответствовать своя гистерезисная петля. Если верхняя точка гистерезисной петли лежит в области насыщения, то ее форма и размеры будут оставаться неизменными. Такая петля называется предельной петлей гистерезиса (рис. 3.6). Практика показывает, что получить хорошо воспроизводимую начальную кривую намагничивания затруднительно, поэтому вместо нее пользуются близкой к ней по форме основной кривой намагничивания, которая является геометрическим местом вершины симметричных петель гистерезиса (рис. 3.7).
По основной кривой намагничивания (ОКН) можно построить кривую зависимости относительной магнитной проницаемости от магнитного поля:
(3.13)
3.2.2. Динамические характеристики
Динамическими называются характеристики, определяемые в переменных полях. Они зависят как от материала, так и от условий, при которых производится их определение (от формы образца, от параметров намагничивающего тока, режима намагничивания и т.п.).
Влияние вихревых токов, магнитной вязкости и других процессов деформирует гистерезисную петлю таким образом, что она становится ближе к эллипсу (особенно в области слабых токов и высоких частот). Такая кривая называется динамической петлей. Геометрическое место вершин динамических петель называется динамической кривой намагничивания.
В число основных динамических характеристик входят различные виды магнитной проницаемости и магнитные потери в материале при его намагничивании.
Так, в случае, если динамическая петля имеет форму эллипса, вводят понятие комплексной магнитной проницаемости:
(3.14)
гдеВ иН — комплексы эквивалентных синусоид магнитной индукции и напряженности; модуль комплексной проницаемости, который называется амплитудной магнитной проницаемостью; tgd =m 2/m 1— тангенс угла магнитных потерь.
Эквивалентные синусоиды выбираются такими, чтобы динамическая петля имела ту же форму, что и при реальных магнитной индукции и напряженности, которые, как правило, не являются синусоидами одновременно.
Полные потери на динамическое перемагничивание характеризуются площадью динамической петли. Поскольку динамические характеристики зависят от условий, при которых они определяются, эти условия в каждом конкретном случае должны быть четко оговорены.
3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основным методом определения статических характеристик является индукционно-импульсный. Он реализуется при помощи баллистической установки, схема которой приведена на рис. 3.8. Катушка L1 служит для намагничивания образца, катушки L2 и LЗ являются измерительными. Намагничивающая катушка L1 и измерительная катушка L2 , предназначенная для измерения магнитной индукции, охватывают образец, тогда как катушка LЗ, с помощью которой измеряют напряженность магнитного поля, располагается у поверхности образца, не охватывая его. Образцовая катушка взаимной индуктивности Мс обмотками L4 и L5 используется для градуировки баллистического гальванометра РG. Цепь питания содержит источник постоянного напряжения, амперметры РА1 и РА2 с реостатами R1 и R2. Переключатель S А1 позволяет подключать источник питания либо к намагничивающей катушке L1, либо к первичной обмотке L5 катушки взаимной индуктивности М Переключатель SА2 позволяет менять полярность напряжения, подаваемого на катушки L1 или L5. Ключ SВ служит для успокоения подвижной части гальванометра РG, переключатель SАЗ позволяет закоротить ту часть цепи питания, которая состоит из амперметра РА2 и реостата R2 и используется только при определении точек петли гистерезиса. Переключатель SА4 дает возможность подключать гальванометр РG либо к катушке L2 для определения магнитной индукции, либо к катушке L3 для определения напряженности магнитного поля. Магазины сопротивления RЗ и R4 позволяют изменять чувствительность измерительной цепи.
Экспериментальное определение постоянных по магнитному потоку CB и CH , необходимых для измерения В и Н, производится при установке переключателя SА1 в положение 2 . При этом переключатель SА 3 должен быть замкнут. Переключатель SА4 устанавливается в требуемое положение (в положение 1 для определения CB и в положение 2 для определения CH ). Процедура определения постоянных совпадает с описанной в § 3.1. Направление тока в обмотке L5 изменяется при помощи переключателя SА2 .
В качестве примера определения статических характеристик рассмотрим получение основной кривой намагничивания. Прежде чем приступить к получению точек этой кривой, магнитный образец следует размагнитить. Для размагничивания переключатель SА1 ставят в положение 1, а переключатель SА 3 —в замкнутое положение. Затем реостатом R1 устанавливают в катушке L1 максимальное значение намагничивающего тока. После этого ток в катушке L1 медленно уменьшают до нуля, многократно меняя его направление переключателем SА2. После размагничивания можно приступить к получению первой точки основной кривой намагничивания. В катушке L1 устанавливают некоторое значение намагничивающего тока I1и производят магнитную подготовку образца, заключающуюся в многократном (8—10 раз) изменении направления тока I1,. При этом переключатель SА4 должен находиться в нейтральном положении, т.е. гальванометр РG должен быть отключен. Цель магнитной подготовки—добиться устойчивого, стабильного магнитного состояния образца. Ток I1возбуждает магнитное поле Н1, напряженность которого измеряется посредством измерительной катушки L3 и баллистического гальванометра РG (переключатель SА4 находится в положении 2 ). Направление тока в катушке L1 быстро изменяется на противоположное переключателем SА2 и производится отсчет первого максимального отклонения указателя баллистического гальванометра aH1. На основании соотношений, аналогичных приведенным в § 3.1, можно получить
 (3.15)
Для измерения магнитной индукции В1, переключатель SА4 должен находиться в положении 1. При этом к баллистическому гальванометру подключается измерительная катушка L2. Изменение направления тока в катушке L1 приводит к перемагничиванию образца и наведению в катушке L2 ЭДС. Первое максимальное отклонение указателя баллистического гальванометра aH1 связано со значением магнитной индукции В1, соотношением
(3.16)
В (3.15) и (3.16) символами w2, w3 , и s2, s3 обозначены числа витков и площади катушек L2 и LЗ. Последующие точки основной кривой намагничивания находятся аналогично первой, но при больших значениях тока намагничивания
(I123<...).
При помощи баллистической установки можно определить точки петли гистерезиса, а также некоторые важные статические параметры, такие, как коэрцитивная сила, коэффициент прямоугольности и др.
3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Одним из удобных способов определения динамических характеристик является осциллографический. Схема установки приведена на рис. 3.9. При прохождении переменного тока по первичной намагничивающей катушке L1 в измерительной катушке L2 наводится ЭДС, мгновенное значение которой согласно закону электромагнитной индукции
Таким образом, для того чтобы напряжение, приложенное к вертикальным пластинам осциллографа, было пропорционально магнитной индукции в сердечнике, необходимо ЭДС проинтегрировать по времени. В качестве интегрирующей используется RС - цепочка, состоящая из R2 и С. Выходное напряжение интегрирующего контура
(3.17)
Как видно из рис. 3.9, последовательно с намагничивающей обмоткой L1 включен резистор R1 , падение напряжения на котором после усиления подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа. Это напряжение пропорционально намагничивающему току U2=IR1, а следовательно, и магнитному полю Н:
(3.18)
Это напряжение после усиления подается на вертикально отклоняющие пластины.
В формулах (3.17) и (3.18) w1,w2— число витков катушек L1 и L2; l— средняя длина витка катушки L1; s2 —площадь витка катушки L2 . Итак, на вертикальные пластины осциллографа подается напряжение, мгновенное значение которого пропорционально индукции в сердечнике, а на горизонтальные—напряжение, мгновенное значение которого пропорционально напряженности поля. На экране осциллографа видна динамическая петля гистерезиса, по которой можно определить интересующие наблюдателя параметры.
|
|
|
Скачать 1.92 Mb.