Лабораторная работа №4

Определение площади петли гистерезиса магнитотвердых ферромагнетиков

Цель работы: практическое освоение способов определения площади петли гистерезиса в лабораторных условиях при проведении магнитных измерений.

Часть 1. Метод взвешивания:

Используемые приборы и материалы: Весы аналитические АВД-200 или ВЛА-200-М (c точностью взвешивания не хуже 0,1 мг.), разновесы (до 200 г), ножницы, калька, калькулятор.

1. В зависимости от способа получения построить изображение петли гистерезиса в необходимом масштабе на кальке (если изображение петли получено на экране осциллографа), на масштабно-координатной бумаге (если информация получена без регистрации самопишущим прибором) или на миллиметровке при помощи двухкоординатного самописца.

2. Из одной и той же бумаги вырезать изображения петли гистерезиса (одной или нескольких, при необходимости проведения какого-нибудь сравнения) и изображение единицы площади (обычно 1 см²).

3. Произвести взвешивание полученных фигур и на основании обычной пропорции, рассчитать площади исследуемых петель гистерезиса.

4. Абсолютная и относительная погрешности плотности рекомендуется рассчитывать одним из способов, рассмотренных в п. 1.3.3.2 с использованием погрешности приборов.

5. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности определения плотности постоянного магнита.

Окончательный результат записать в стандартной форме.

Часть 2. Метод подсчета площади:

Расчет площади петли гистерезиса осуществляется по ее изображению на масштабно-координатной бумаге. Подсчет ведется, начиная с наибольших целочисленных единиц площади (например, 1 см², 0,5 см², 0,25 см², 1 мм² и т.д.) с постепенным уменьшением единицы площади.

1. Составить формулы для подсчета абсолютной и относительнойпогрешностей расчета площади (см. п. 1.3.3.2). Рассчитать погрешности, подставляя в полученные формулы погрешности приборов.

2. Полученный результат записать в принятой форме.

3. Экспериментальные данные при необходимости представить в табличной форме.

Глава 2. Средства электрических измерений

2.1. Классификация средств электрических измерений

Средствами электрических измерений называют технические средства, имеющие нормированные метрологические характеристики, используемые при электрических измерениях физических величин.

Различают следующие виды средств электрических измерений: меры; измерительные преобразователи; электроизмерительные приборы; электроизмерительные установки; измерительные информационные системы (рис. 7).

2.1.1. Меры

Мерами называют средства измерений, предназначенные для материального воспроизведения известных значений физической величины. Сама физическая величина, способ ее воспроизведения и поддержания регламентируются соответствующими государственными стандартами (ГОСТами). Вместе с измерительными приборами меры образуют материальную основу для выполнения измерений – средства измерений.

По числу воспроизводимых значений физической величины меры разделяются на однозначные и многозначные. Совокупность мер, применяемых как отдельно, так и в различных сочетаниях, служащие для воспроизведения ряда значений физической величины называется набором мер (например, магазины сопротивлений, емкости и индуктивности).

В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяются на эталоны, образцовые и рабочие меры (рис. 8).

Эталоном(в метрологии) называют средство измерений высокой точности, основывающиеся на неизменных во времени свойствах веществ или тел, применяемые для воспроизведения и хранения единиц измерения физической величины и передачи ее размера другим средствам измерений (в институтах метрологии). Второе основное предназначение эталона – обеспечение единства и правильности измерений в стране.

Эталоны могут представлять собой особо точные меры, измерительные приборы и даже установки, включающие в себя ряд приборов и устройств.

Эталоны принято разделять на:

 искусственные - платиноиридиевый эталон килограмма, групповой эталон Ома, рабочий эталон метра и т.п.;

 естественные - включающие в себя не только средства измерений, но и применение этих средств в процессе воспроизведения единиц измерения в соответствии с принятым методом установленной спецификации (например, совокупность средств, служащих для воспроизведения единицы длины – метра в длинах световой волны)^*.

Естественные эталоны обладают рядом преимуществ: возможностью независимого воспроизведения в разных странах; неизменностью во времени; восстановимостью при повреждениях.

Эталоны разделяются на:

  международные;

 национальные (государственные).

Пример: международный эталон – прототип килограмма; национальный – первичный эталон килограмма РФ (ранее СССР) (одна из копий прототипа, которой присвоен №12).

Национальные (государственные) эталоны зависимости от точности воспроизведения единицы и назначения разделяются на:

  первичные - обеспечивающие воспроизведение единицы с наивысшей достижимой в стране точностью;

  вторичные - значение которых устанавливается по первичному эталону.

Вторичные эталоны подразделяются на (см. рис. 8):

  эталоны копии – заменяют первичные эталоны при метрологических работах, служат для уменьшения износа и исключения возможности повреждения последних;

 эталоны свидетели служат для контроля сохранности первичных эталонов;

 эталоны сравнения применяются для международных сличений национальных эталонов;

 рабочие эталоны используются для поверки образцовых средств измерений физических величин высших разрядов.

Вторичные эталоны, как правило, представляют собой искусственные эталоны.

Так как эталоны являются одной из групп средств измерений, принадлежащих к мерам они по своему составу также могут быть однозначными (метр №11, килограмм №12), групповыми (эталон Вольта, состоящий из 20 нормальных элементов) и представлять собой эталонные наборы (гирь, ареометров и т.п.).

Число первичных эталонов определяется числом единиц измерения, воспроизводимых с помощью эталона в стране. Для каждой единицы измерения может быть только один первичный эталон. Число вторичных эталонов определяется уровнем точности и территориальной рассредоточенности образцовых средств измерений, подлежащих поверке с применением эталонов.

Число и точность эталонов определяется развитием науки и техники эксперимента.

Образцовые меры это средства измерения, предназначенные для поверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов. Они могут в отдельных случаях использоваться непосредственно для точных измерений. В зависимости от точности образцовые меры подразделяются на три разряда. Образцовые меры первого разряда наиболее точные и поверяются непосредственно по рабочим эталонам. Образцовые меры второго разряда поверяются по образцовым мерам первого разряда. Образцовые меры, поверяемые по образцовым мерам второго разряда являются образцовыми мерами третьего разряда.

Рабочие меры это устройства, предназначенные для воспроизведения широкого диапазона номинальных значений физических величин. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Используются для поверки измерительных приборов и для измеренй на промышленных предприятиях и в научных организациях.

Основные свойства мер:

• Номинальное значение меры (однозначной) – значение физической величины, приписанное ей при изготовлении;

• Действительное значение меры (истинное или действительное) – значение физической величины, определяемое во время поверки меры путем сравнения с образцовыми мерами (мерами более высокого класса);

• Абсолютная погрешность меры – разность между номинальным и истинным (действительным) значением воспроизводимой величины^*.

• Класс точности меры – обобщенная метрологическая характеристика, определяющая предельное значение погрешности воспроизведения физической величины.

• Стабильность меры - способность меры к воспроизведению физической величины неизменного значения в течение длительного времени (иногда говорят о временной стабильности).

• Малая зависимость значения меры от внешних факторов окружающей среды и условий применения;

• Аддитивность и удобство при применении нескольких мер в измерительных процессах.

Пример 1:Мерой магнитного потока называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения определенного значения магнитного потока с заданной погрешностью [11].

Как правило, это катушка, состоящая из двух обмоток: первичной (намагничивающей) и вторичной. При протекании тока Iв первичной обмотке (1– рис. 9) со вторичной обмоткой (2– рис. 9) сцепляется магнитный потокФ =К_ФI. На самом делеК_Ф – коэффициент потокосцепления или взаимной индуктивности. В случае меры магнитного потокаК_Фпринято называтьпостоянной меры по магнитному потоку, единицей измерения в этомслучае считается Вб/А (Вебер на Ампер) или Гн (Генри).

Они выполняются в виде пары коаксиальных круговых контуров (а), пары катушек одинакового диаметра (б), пары концентрических обмоток разного диаметра (в), сочетания меры магнитной индукции1измерительной обмотки2(г), сочетания обмотки в виде соленоида1и расположенной поверх нее сосредоточенной обмотки2(д), катушки Кэмпбелла (е), катушки с расширенной областью нулевого поля в районе вторичной обмотки (ж).

Магнитный поток в мерах воспроизводится при пропускании через первичную обмотку постоянного тока (при его переключении) и переменного тока низкой частоты (до 300 Гц), когда не сказываются переходные процессы. При этом такие параметры, как индуктивность обмоток, емкость между обмотками и межвитковая емкость не играют особого значения. В области частот более 300 Гц меры магнитного потока принято называть мерами взаимной индуктивности.

Меры магнитного потока предназначены для воспроизведения единицы магнитного потока, а также для градуировки рабочих средств измерений (веберметров, флюксметров, определения постоянных измерительных катушек и т.п.). Постоянная мер находится в интервале 10^-4– 10^-2Вб/А.

Пример 2:Государственный первичный эталон магнитного потока (ГОСТ 8.030-83) предназначен для воспроизведения и хранения единицы магнитного потока и передачи размера единицы при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяемым в народном хозяйстве [12].

В состав эталона входят: катушка магнитного потока типа Кэмпбелла на кварцевом каркасе^*, установка для измерения приращений магнитного потока индукционным методом с измерительным преобразователем сравнения – катушкой магнитного потока. Основные свойства эталона:

• Номинальное значение магнитного потокаФ– 0,01 Вб;

• Номинальное значение постоянной по магнитному потокуК_Ф катушки Кэмпбелла равно 0,01 Вб/Ф;

• Единица магнитного потока воспроизводится со средним квадратичным отклонением S₀не хуже 1,010^-5при 24 независимых измерениях;

• Неисключенная систематическая погрешность ₀не превышает 1,710^-5.

Меры электрических величин – устройства, предназначенные для воспроизведения единиц измерения электрических величин и их определенных кратных или дольных значений (воспроизводятся единицы сопротивления, емкости, индуктивности, взаимной индуктивности; мера э.д.с. осуществляется в виде нормального элемента, дающего только одно значение э.д.с. ~ 1,0187 В^*; мер тока, электрической мощности, энергии и т.п. нет).

Меры электрических величин бывают:

• постоянного значения – измерительные катушки сопротивления, измерительные катушки индуктивности и взаимной индуктивности, конденсаторы постоянной емкости;

• ступенчато-переменного значения – магазины сопротивлений, магазины индуктивностей и взаимных индуктивностей, магазины емкостей;

• плавно-переменного значения – измерительные реохорды, вариометры индуктивности и взаимной индуктивности, конденсаторы переменной емкости.