КВП / Тема 9

Тема 9 ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНИХ ВЕЛИЧИН

9.1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Електричні та магнітні явища, які характеризують роботу електричних машин та апаратів, невід’ємно пов’язані між собою. При дослідженні цих явищ виникають задачі, які пов’язані з визначенням магнітних полів. Розглянемо основні параметри магнітного поля: магнітна індукція В, напруженість Н, намагніченість J.

Ці величини пов’язані між собою співвідношенням:

; (1)

, (2)

де μ₀ – постійна магнітна;

S – площа поверхні;

Ф – магнітний потік.

При вимірюванні магнітних величин використовуються їх міри:

- міра магнітного потоку – це котушка взаємної індуктивності, обмотки якої характеризуються малими активними опорами, індуктивністю та ємністю. Встановлено, що при силі струму 1 А магнітний потік складає 0,01 Вб;

- міра напруженості магнітного поля – це котушка зі струмом. Номінальне значення напруженості від 2·10^-3 до 0,5·10^-5 А/м при частоті від 0,01 до 30 МГц;

- міра магнітної індукції – це котушка на кварцовому каркасі, по якій проходить струм силою в 1 А.

9.2 ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНОГО ПОТОКУ

9.2.1 Вимірювання магнітного потоку в постійному магнітному полі

При вимірюванні магнітного потоку використовується явище електромагнітної індукції. Це явище є основою принципу дії магнітовимірювального перетворювача (МВП), який призначений для вимірювання магнітного потоку. Це котушка, витки якої зчіплюються з магнітним потоком, який вимірюється. При вимірюванні потоку Ф в котушці з кількість витків W_К виникає ЕРС, величина якої визначається за виразом:

(3)

З виразу видно, що за допомогою котушки магнітна величина – магнітний потік Ф може перетворюватись в електричну величину ЕРС.

Для вимірювання магнітного потоку використовується прилад, який має назву веберметр, шкала якого має одиниці вимірювання магнітного потоку.

До затискачів приладу приєднується вимірювальна котушка, з витками якою зчіплюється вимірювальний магнітний потік. Принцип вимірювання можна пояснити, використовуючи загальний закон вимірювання магнітного потоку в замкнутому контурі, а саме: магнітний потік, який зчіпляється з замкнутим контуром, прагне залишиться незмінним. Потокозчеплення вимірювальної котушки дорівнює:

, (4)

а потокозчеплення котушки рухливої частини веберметра дорівнює:

(5)

При зміні потоку, що вимірюється та що зчіплюється з витками вимірювальної котушки, змінюється потік, що зчіплюється з витками рухливої котушки веберметра, як наслідок, здійснюється повертання рухливої частини приладу на кут , який дорівнює:

, (6)

тобто кут відхилення стрілочного покажчика прямо пропорційно залежить від величини магнітного потоку, що вимірюється.

9.2.3 Вимірювання магнітного потоку, що змінюється в часі

Змінні магнітні потоки вимірюються за допомогою вольтметра з великим вхідним опором, який підключається до затискачів вимірювальної котушки. Якщо котушка розташована в змінному магнітному полі, в ній створюється ЕРС, яка дорівнює:

, (7)

де f – частота зміни потоку;

k – коефіцієнт форми кривої магнітного потоку.

Таким чином, за величиною величини магнітного потоку, що вимірюється, та за величиною частоти можна вимірювати амплітудне значення магнітного потоку, що змінюється в часі:

(8)

9.3 ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ ТА НАПРУЖЕНОСТІ МАГНІТНОГО ПОЛЯ

Тесламетр – магнітовимірювальний прилад для вимірювання магнітної індукції, шкала якого має одиниці вимірювання магнітної індукції.

Первинними вимірювальними перетворювачами таких приладів є гальваномагнітні магнітовимірювальні перетворювачі, спрощена конструктивна схема яких має вигляд (див. рисунок 1):

Рисунок 1 – Строщена конструктивна схема гальваномагнітних перетворювачів Хола

В основу принципу дії яких покладений ефект Хола, а саме: ЕРС виникає між протилежними сторонами металевої або напів провідникової пластинки, якщо вона розташована в магнітному полі з індукцією В та включена до кола з силою струму.

Величина ЕРС зв’язана з силою струму та з магнітною індукцією виразом:

, (9)

де R_X – постійна Хола; d – товщина пластинки.

Величина ЕРС прямо пропорційна магнітній індукції та напруженості магнітного поля та силі струму, який проходить через пластинку:

, (10)

де S_B, S_H – чутливість перетворювача відповідно до магнітної індукції та до напруженості.

Для виготовлення таких перетворювачів використовують германій, кремній, сполуки індію. Це пояснюється тим, що ЕРС, яка виникає в напівпровідниковому матеріалі, більш ніж ЕРС металевого елементу.

Перетворювачі Хола використовують в приладах для вимірювання магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 2Тл в постійних та змінних полях з частотою до 10¹⁰ Гц.

Для вимірювання магнітної індукції постійних магнітних полів застосовуються прилади з використанням явища ядерного магнітного резонансу, а саме: при впливі на речовину постійного магнітного поля його ядра, які мають магнітний момент М_М та момент кількості руху М_Р будуть коливатися навколо вектора напруженості поля з частотою, величина якої дорівнює:

(11)

Схема вимірювання магнітної індукції магнітного поля за допомогою ЯМР – перетворювачів наведена на рисунку 2.

Рисунок 2 - Схема вимірювання магнітної індукції магнітного поля за допомогою ЯМР – перетворювачів

Схема складається з: ЯМРП – ЯМР – перетворювач; А – ампула з робочою речовиною – водний розчин FeCl₂; К – котушка; ГВЧ - генератор високої частоти; ГНЧ – генератор низької частоти; К_М - модуляційна котушка; В – випрямляч; ЕО – електронний осцилограф; Hz - частотомір.

Якщо на таку систему впливати змінним магнітним полем зі змінною частотою, тоді при рівновазі частоти коливання ядер речовини та частоти змінного поля виникає поглинання ядрами речовини енергії змінного поля. При цьому зростає амплітуда коливання ядер навколо вектора напруженості поля. Виникає ядерний магнітний резонанс: збільшується поглинання ядрами речовини частини енергії високочастотного поля, це призводить до зміни добротності котушки та до зміни напруги на її кінцях, Момент резонансу може бути зафіксовано електронним осцилографом, на вертикальний вхід якого подається після випрямлення напруга з котушки, а на горизонтальний вхід – напруга модуляції. Резонансна частота вимірюється цифровим частотоміром.

Величина магнітної індукції або напруженості визначається за значенням частоти, при якій виникає ядерний резонанс:

, (12)

де f – частота генератора.

9.4 ВИМІРЮВАННЯ ОСНОВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ФЕРОМАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ

Схема вимірювання методом «амперметра – вольтметра - ватметра» наведена на рисунку 3.

Рисунок 3 - Схема вимірювання методом «амперметра – вольтметра - ватметра»

За допомогою цієї схеми можна визначати криву намагнічування, амплітудну магнітну проникність та втрати на перемагнічування. Якщо дослідження проводяться при синусоїдальній індукції, то для визначення напруженості використовується зразковий резистор R та вольтметр амплітудних значень PV1. Напруженість визначається за формулою:

(13)

де U_m – амплітудне значення падіння напруги на резисторі;

w - кількість витків обмотки;

L_СЕР – середня довжина силової лінії.

Якщо дослідження здійснюються при синусоїдальній напрузі, то індукція в матеріалі визначається за допомогою вольтметра PV2 за значенням ЕРС в вимірювальні обмотці:

(14)

де U_2СЕР = E_2СЕР – показання вольтметра;

S_ЗР – площа перетину зразка.

За значеннями В_m та Н_m можна побудувати залежність та розрахувати амплітудну магнітну проникність за формулою:

(15)

Для визначення втрат на перемагнічування призначений ватметр, послідовна котушка якого вмикається до кола намагнічу вальної котушки, паралельна – до затискачів вимірювальної обмотки w_В. Амперметр та частотомір включені для контролю струму та частоти.

Одним з найбільш зручним способом визначення динамічних характеристик є осцилографічний метод, схема якого наведена на рисунку 4.

Рисунок 4 – Схема осцилографічного методу визначення

динамічних характеристик магнітних матеріалів

При проходженні змінного струму по первинній котушці намагнічування L₁ в вимірювальній котушці L₂ наводиться ЕРС, миттєве значення якої дорівнює:

, (16)

Тобто для того щоб напруга, яка подана на вертикальні пластини осцилограф, була пропорційна магнітні індукції в сердечнику, необхідно ЕРС про інтегрувати за часом. У якості інтегратора використовується RC – коло, яке складається з R₂ та C. Вихідна напруга контуру інтегрування дорівнює:

(17)

Падіння напруги на резисторі R₁ подається на горизонтальні пластини осцилографа. Така напруга пропорційна струму намагнічування, як наслідок, магнітному полю:

(18)

Ця напруга подається на вертикальні пластини осцилографа.

Таким чином, на вертикальні пластини осцилографа подається напруга, миттєве значення якого пропорційна індукції в сердечнику, а на горизонтальні – напруга, миттєве значення якої пропорційна напруженості поля. На екрані осцилографа видна динамічна петля гістерезису, по які можна визначати параметри магнітного поля.