Измерения магнитных величин

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время магнитные  измерения получили широкое распространение. Это объясняется успешным развитием  многих областей в современной науке, техники и промышленности, которое  неразрывно связано с производством  и применением различных ферромагнитных металлов и сплавов.

Расширение экспериментальных  исследований в области физики магнитных  явлений сопровождается разработкой  новых, более прецизионных методов  измерения. В связи с этим разрабатываются  новые методы и установки, усовершенствуются  известные методы. В настоящее  время выпускают магнито-измерительные  средства самого различного назначения. Эти приборы основаны на различных  принципах работы, разрабатываются  и выпускаются предприятия различных  ведомств. В некоторых случаях  магнито-измерительные приборы закупаются у зарубежных фирм. Актуальной задачей  является обеспечение единства и  достоверности измерений, осуществляемых с помощью этих средств [3].

Решение данной задачи связано  с созданием эталонов магнитных  единиц и образцовых магнито-измерительных  средств, используемых для градуировки  и рабочих приборов. Дальнейшее совершенствование  рабочих приборов связано с совершенствованием эталонов и образцовых средств измерений.

Целью данной курсовой работы является изучение магнитных измерений, принципов построения приборов и  способы измерения магнитного потока, магнитной индукции и напряженности  магнитного поля.

Основными задачами, рассматриваемыми в данной курсовой работе являются:

1. Ознакомление с общими сведениями магнитных измерений.
2. Принципы построения приборов, измеряющих магнитные измерения.
3. Ознакомление с общими сведениями о магнитных эталонах. 
   1 Общие сведения о магнитных измерениях

1.1 Определение  задач магнитных измерений 

Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями  магнитных величин, обычно называют магнитными измерениями. С помощью  методов и аппаратуры магнитных  измерений в настоящее время  решаются самые разнообразные задачи. В качестве основных можно назвать  следующие:

• измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и т. д.);
• определение характеристик магнитных материалов;
• исследование электромагнитных механизмов;
• измерение магнитного поля Земли и других планет;
• изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);
• исследование магнитных свойств атома и атомного ядра;
• определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и т.д.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных  измерений, определяются обычно всего  несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность М, магнитный момент T и др. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла, связывающее магнитное поле с полем электрическим; эти поля являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем.

Используются в магнитных  измерениях и другие (не только электрические) проявления магнитного поля, например механические, оптические.

1.2 Магнитные величины и их основные характеристики

Единицы магнитных величин  воспроизводятся с помощью соответствующих  эталонов. У нас в стране имеется  первичный эталон магнитной индукции и первичный эталон магнитного потока. Для передачи размера единиц магнитных  величин от первичных эталонов рабочим  средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые и рабочие  меры магнитных величин и образцовые средства измерений. Примером передачи размера единиц может служить  градуировка или поверка приборов для измерения магнитных величин, которая проводится с помощью  мер магнитных величин и образцовых средств измерений.

В качестве меры магнитной  индукции (напряженности магнитного поля) могут быть использованы катушки  специальной конструкции (например, кольца Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток, постоянные магниты.

В качестве меры магнитного потока обычно используют взаимоиндуктивную  меру магнитного потока, состоящую  из двух гальванически не связанных  между собой обмоток и воспроизводящую  магнитный поток, сцепляющийся с  одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический  ток.

1.3 Методы магнитных  измерений

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 устанавливает в качестве основного балластический метод исследования свойств материала. В настоящее время в связи с разработкой промышленностью унифицированных электронных устройств широкого применения получил распространение метод непрерывного медленно изменяющего поля [№8.377-80].

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 феррогафа (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. 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.

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА, МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

2.1 Применение баллистического гальванометра