Урок 1. Магнитные измерения и магнитные материалы

Магнитные измерения тесно связаны с электрическими измерениями, т.к. электрические и магнитные явления являются частями единого электромагнитного процесса. В большинстве случаев при определении той или иной магнитной величины измеряется практически электрическая величина, значение которой является функцией измерения магнитной величины. Сама же магнитная величина определяется путем расчета на основании соотношений, связывающих магнитные и электрические величины.

Основными задачи магнитных измерений являются:

а) измерение магнитных величин - магнитного потока, магнитной индукции, напряженности магнитного поля и т.д.;

б) определение характеристик магнитных материалов и определение магнитных свойств неферромагнитных материалов;

в) измерение магнитного поля земли и других планет;

г) исследование магнитных свойств атомов и атомного ядра;

д) исследование электромагнитных механизмов и т.д.

Каждая из этих областей предъявляет свои требования к диапазону и точности измерений, частотному диапазону, условиям измерения и к средствам измерения.

В РФ область магнитных измерений базируется на 3-х первичных эталонах - магнитной индукции и напряженности, магнитного потока и магнитного момента.

Эталоном единицы магнитной индукции и напряженности является катушка Гельмгольца с однослойной намоткой голой медной проволоки на кварцевый каркас. Магнитная индукция при постоянном токе в 1 А, пропущенном через обмотку, определяется расчетным путем с погрешностью ±0,001% по измеренным геометрическим размерам катушки.

Рис. 3.1. Катушка Гельмгольца ФДЭ 022

На рис. 3.1, например, представлена катушка Гельмгольца ФДЭ 022, которая позволяет создавать постоянные и переменные поля, а также может быть использована в качестве контура с током.

Основным параметром меры индукции является ее постоянная
К_В = В/J. В качестве меры В и Н могут служить соленоиды и постоянные магниты.

Эталоном магнитного потока является катушка взаимной индуктивности, состоящая из 2-х гальванически не связанных между собой обмоток и воспроизводящая магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой протекает электрический ток.

Рис. 3.2. Установка высшей точности УВТ 29-А-85

На рис. 3.2. приведена установка высшей точности УВТ 29-А-85 "Кольцо-ВТ" для воспроизведения и передачи размера единиц магнитного потока и магнитодвижущей силы при аттестации стандартных образцов магнитных свойств магнитомягких материалов.

Эталоном единицы магнитного момента является группа (9) постоянных магнитов эллипсоидной формы. Значения магнитных моментов определены путем сравнения индукции поля, создаваемого магнитом, с индукцией поля катушки эталона единицы магнитной индукции.

Кроме эталонов и образцовых мер в практике измерений используются и стандартные рабочие магнитные меры.

Для создания приборов для измерения магнитного потока обычно используется явление электромагнитной индукции, где преобразователем является измерительная катушка (ИК), витки которой сцепляются с магнитным потоком. При изменении потока в катушке возникает Э.Д.С. ИК является преобразователем с помощью которого магнитные величины (магнитный поток - Ф, магнитная индукция - B, напряженность магнитного поля - Н) могут быть преобразованы в Э.Д.С. и измерены. Магнитоизмерительный преобразователь в виде ИК может быть использован для измерения параметров как переменного, так и постоянного магнитных полей. В зависимости от характера измеряемой величины к ИК могут быть предъявлены различные требования: форма, размеры, расположение и т.д. Основной характеристикой ИК является ее постоянная, определяющая через произведение витков и площади витков ИК.

Для измерения магнитного потока ИК - необходимы приборы, которые могут осуществлять интегрирование Э.Д.С. или тока. В качестве таких устройств используются баллистический гальванометр (БГ) и различные виды веберметров.

Для измерения магнитного потока основными характеристиками БГ являются его постоянная и период свободных колебаний. Погрешность измерения составляет 0,5- 1,0 %. БГ - обеспечивает высокую чувствительность и точность, но является прибором неградуированным и требующим определения постоянной при каждом измерении.

Веберметром называется магнитоизмерительный прибор с градуированной шкалой для измерения магнитного потока. Существуют веберметры магнитоэлектрические, фотогальванометрические, электронные аналоговые и цифровые.

Магнитоэлектрические микровеберметры представляют собой разновидность гальванометра с противодействующим моментом равным нулю и с большим моментом магнитоиндукционного успокоения. При отсутствии противодействующего момента, подвижная часть веберметра может занимать любое случайное положение. Это дает возможность произвести правильный отсчет измеряемой величины, т.к. указатель веберметра остается неизменным в положении первого максимального отброса. В точности и чувствительности он уступает БГ пределы измерения от 500 до 10000 мкВб; классы точности – 1,0; 2,5; 4,0 (в зависимости от сопротивления внешней цепи - 10.20.30 Oм);

Фотогальванометрический веберметр представляет собой фотогальванометрический усилитель с отрицательной обратной связью, которая осуществляется с помощью RC – цепи; пределы измерения от 2 до 2000 мкВб; классы точности – 1,0; 2,5 (сопротивление внешней цепи 100-1000 Ом).

Цифровые микровеберметры пределы измерения от 10 мкВб до 10 мВб; класс точности – 0,05 (с внешним сопротивлением 100 Ом).

Аналоговые электронные: пределы измерения от 25 до 2500 мкВб; классы точности – 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Прямые измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в постоянных и переменных полях выполняются с использованием тесламетров с преобразователем Холла.

Рис. 3.3. Принципиальная схема тесламетра, основанного
на эффекте Холла (компенсационного типа)

На рис. 3.3. представлена принципиальная схема тесламетра, основанного на эффекте Холла. В схеме: E₁ и Е₂ — источники постоянного тока; r₁ и r₂ — резисторы; G — гальванометр, mА — миллиамперметр; ПХ — преобразователь Холла (полупроводниковая пластинка). ЭДС Холла компенсируется падением напряжения на части калиброванного сопротивления r₂, через которое протекает постоянный ток.

Преобразователь Холла представляет собой пластину из полупроводникового материала, по которому пропускается постоянный или переменный ток. При помещении преобразователя в магнитное поле на боковых его гранях возникает Э.Д.С. Холла.

Рис. 3.4. Эффект Холла.

Для наблюдения эффекта Холла (см. рис. 3.4.) вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины b и толщины d, пропускается ток I; магнитное поле H перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла V_x = E_x∙b.

Выпускаемые промышленностью тесламетры с преобразователем Холла имеют следующие параметры: диапазон измерения от 0,002 до 2 Т; классы точности 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон до 1000 МГц.

Такие приборы просты и удобны в эксплуатации, имеют достаточно высокие метрологические характеристики.

Недостатком является зависимость показаний прибора от температуры внешней среды.

Ядерно-резонансные тесламетры. В качестве преобразователя применяется разновидность квантового магнитоизмерительного преобразователя, т.е. такие преобразователи, действие которых основано на взаимодействии микрочастиц (атомов, ядер атомов) с магнитным полем.

В качестве квантового преобразователя может быть использован ядерно-резонансный преобразователь, позволяющий измерить магнитную индукцию с высокой точностью. Диапазон измерений этих приборов от 0,01 до 10 Т. Классы точности от 0,001 до 0,1.

Ферромодуляционные тесламетры применяются для измерения В и Н в малых постоянных и низкочастотных переменных полях.

Тесламетры, основанные на явлении сверхпроводимости, позволяют измерить параметры магнитного поля биотоков сердца и мозга человека. Напряженность магнитного поля можно измерить электродинамическим способом, основанным на взаимодействии тока протекающего по рамке с измеряемым магнитным полем. О значении напряженности судят по углу отклонения рамки, помещенной в измеряемое магнитное поле, при неизменном значении тока в ней.

Также напряженность магнитного поля можно измерить индукционным способом в переменных магнитных полях, в зависимости от способа измерения Э.Д.С. можно определить амплитудное, мгновенное или среднее значение этой величины.

Измерение периодически изменяющихся магнитных потоков производится индукционным методом, в основе которого лежит закон электромагнитной индукции. Измерению подлежит переменная Э.Д.С. индуктируемая в ИК, которая и является индукционным преобразователем неподвижным и охватывающим переменный поток. Концы ИК можно подключить к вольтметру среднего, действующего, амплитудного значения, к компенсатору, к компаратору в зависимости от требуемой точности и наличия средства измерения.

В зависимости от средства измерения можно получить различные значения одного и того же потока, что особенно важно, когда кривая Э.Д.С. несинусоидальна.

Магнитные материалы делят на три группы: магнитомягкие (обычно для магнитопроводов); магнитотвердые (как источники магнитного поля); материалы со специальными свойствами.

Статические и динамические характеристики магнитных материалов и методы их определения регламентируются соответствующими ГОСТами и стандартами.

Аппаратура для определения характеристик и параметров магнитных материалов состоит из намагничивающих и измерительных обмоток, средства измерения, средства регистрации, средства для обработки полученной информации и различных вспомогательных устройств.

В промышленных установках для определения статических характеристик магнитных материалов - измерение индукции В осуществляется индукционно-импульсным методом; напряженность поля Н определяется косвенно по силе тока в намагничивающей катушке и параметрами или с помощью магнитоизмерительных приборов. В установках для определения динамических характеристик магнитных материалов обычно используют индукционный магнитоизмерительный преобразователь и различные способы измерения его выходного сигнала.

Образцы для испытаний.

Испытание магнитных материалов стремятся проводить при равномерном намагничивании материала, когда индукция в различных сечениях образца одинакова. Для испытания магнитного материала в замкнутой магнитной цепи используются образцы в виде кольца, что обеспечивает наибольшую точность измерения. Но изготовление таких образцов сложное дело и поэтому гораздо проще испытывать образцы материалов в виде полос, стержней с помощью специальных устройств - пермеаметров.

Рис. 3.5. Схема устройства пермеаметра

На рис. 3.5. показана схема устройства пермеаметра. На схеме: 1 и 2 — две половины ярма; 3 — подвижные полюсные наконечники; 4 — намагничивающие катушки; 5 — образец; 6 — обмотка на образце для измерения индукции; 7 — магнитный потенциалометр для измерения напряжённости намагничивающего поля.

Основные статические характеристики - это характеристики материалов определяемые в постоянных магнитных полях и позволяющие отличить один материал от другого. Основные статические характеристики (см. рис. 3.6.) и параметры магнитных материалов: основная кривая намагничивания; симметричная петля гистерезисного цикла, площадь которой пропорциональна энергии, затрачиваемой на перемагничивание, а точки пересечения с осями координат позволяют определить остаточную индукцию, коэрцитивную силу, индукцию насыщения, относительную магнитную проницаемость и ее начальное и максимальное значение. Наиболее распространенным способом определения статических характеристик является индукционно-импульсный метод с использованием баллистического гальванометра и веберметра.

а) б)

Рис. 3.6. Статические характеристики магнитных материалов:
а) основная кривая намагничивания; б) симметричная петля гистерезисного цикла

Динамические характеристики зависят не только от качества самого материала, но и формы и размеров образца, формы кривой и частоты намагничивающего поля. При намагничивании магнитного материала переменным магнитным полем магнитная индукция изменяется по кривой, которая называется динамической петлей. Динамическая петля и ее площадь определяют полную энергию, рассеиваемую за цикл перемагничивания, т.е. потери за счет гистерезисных явлений, вихревых токов, магнитной вязкости и т.д. Семейство динамических петель характеризует магнитный материал при данных размерах образца, форме и частоте магнитного поля. Геометрическое место вершины динамических петель называется динамической кривой намагничивания.

Важными параметрами магнитных материалов в переменных магнитных полях являются различные виды магнитной проницаемости.