Измерения магнитных величин

 

В лабораторной практике при  исследованиях электрических машин, аппаратов, трансформаторов, при испытаниях магнитных материалов, применяемых в производстве на электротехнических заводах, часто возникает необходимость измерения магнитных величин, например: магнитного потока, магнитной индукции, магнитодвижущей силы, напряженности магнитного поля, магнитной проницаемости, а также потерь на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных материалах.

В большинстве случаев  магнитные величины измеряют косвенным методом - путем измерения тех или иных электрических величин (тока, ЭДС, количества электричества), функционально связанных с измеряемой магнитной величиной. Измерения магнитных величин в настоящее время составляют большой самостоятельный раздел измерительной техники с глубоко развитой теорией.

Некоторые методы и аппаратуру для магнитных измерений используют не только в лабораториях, специализированных в области магнитных измерений, но также и в более универсальных  лабораториях, занимающихся испытаниями  и исследованиями электрических  машин и аппаратов. К числу  широко распространенных магнитных  измерений относятся:

а) измерения при помощи баллистического гальванометра;

б) измерения с помощью  флюксметра;

в) определение потерь в  стали ваттметровым методом;

г) измерения переменных магнитных потоков при помощи потенциометра.

На рисунке 1 приведена схема, поясняющая общий принцип измерения постоянного магнитного потока с помощью баллистического гальванометра. Для измерения магнитного потока к гальванометру необходимо присоединить измерительную рамку с некоторым числом витков w, находящуюся в исследуемом постоянном магнитном поле. Витки рамки будут охватывать некоторый поток Ф_X. В основу действия данного прибора положен принцип, согласно с которым первый наибольший отброс указателя баллистического гальванометра пропорционален числу   потокосцеплений магнитного потока с витками измерительной рамки.

 

 

Рисунок 1. Схема, поясняющая принцип измерения  магнитного потока при помощи баллистического гальванометра

 

 

 

На рисунке 1 приведена практическая схема применения баллистического гальванометра для снятия кривой намагничивания, т. е. для определения зависимости B=f(H). На кольцевой сердечник из исследуемой стали накладывают две обмотки: намагничивающую  и измерительную. К измерительной обмотке подключается баллистический гальванометр. Намагничивающая обмотка питается от источника постоянного тока через

 

амперметр и реостат. Переключатель позволяет изменять направление тока в обмотке.

Напряженность магнитного поля внутри кольцевого соленоида (тороида) может быть подсчитана на основании закона полного тока по формуле (2.1) :

                                             _(2.1)

где  w_i – число витков намагничивающей обмотки;

l – значение тока, A;

l_ср – средняя длина силовой магнитной линии в тороиде, отмеченная на рисунке 1 пунктиром и легко вычисляемая по геометрическим размерам испытуемого образца.

Для определения зависимости B=f(H) в намагничивающей обмотке устанавливают ток, соответствующий заданному значению H и заранее подсчитанный по приведенной формуле, затем быстро изменяют направление тока в обмотке при помощи переключателя. При перемене направления тока магнитный поток в сердечнике изменится по сложному закону от значения +Ф до значения -Ф, т. е. изменение потока в измерительной рамке будет равно 2Ф, и с учетом этого подсчитывают поток в сердечнике по формуле (2.2) :

                                                _(2.2)

Зная поток и поперечное сечение испытуемого образца, находят  значение магнитной индукции по формуле (2.3) :

                                                                _(2.3)

где s — сечение образца, см².

Найденное значение В и ранее вычисленное значение Н позволяют подсчитать магнитную проницаемость по формуле (2.4) :

                                                               (2.4)

 

 

2.2 Флюксметр

 

Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром.

Флюксметр представляет собой  прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной  рамке осуществляется не через пружинки, а через безмоментные спирали, т. е. в его измерительном механизме  отсутствует противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при отсутствии тока в обмотке  рамки может занимать любое положение  относительно шкалы. На рисунке 2 приведена схема устройства флюксметра.

 

 

 

 

 

Флюксметр, как и большинство  гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы  при внешнем сопротивлении, меньшем 20 Ом, подвижная часть оказывалась в режиме переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции.

На рисунке 2 приведена схема, поясняющая процесс измерения магнитного потока при помощи флюксметра. Для измерения магнитного потока, например постоянного магнита 1, к зажимам флюксметра присоединяется измерительная рамка 2, состоящая из достаточного количества витков медной проволоки. Если эту рамку надеть на испытуемый магнит, то во время перемещения рамки 2 в ней будет наводиться ЭДС, создающая ток в цепи прибора. Под действием этого тока подвижная рамка 3 прибора начнет поворачиваться. После того как измерительная рамка 2 будет приведена в положение, показанное на рисунке 2, и остановлена, ЭДС, действовавшая в ней, исчезнет, но рамка 3 по инерции будет еще немного продолжать двигаться. Переместившись на некоторый угол a от начального положения, рамка 3 остановится.

Теория флюксметра показывает, что движение рамки прекращается после того, как число потокосцеплений  витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на столько же, сколько  создалось потокосцеплений измерительной  рамки 2 с измеряемым потоком Ф.

Если успокоение прибора  достаточно велико, для чего сопротивление  цепи рамки не должно превышать некоторый  определенный для данной конструкции  предел (обычно 8-20 Ом), то между углом поворота стрелки флюксметра и измеряемым магнитным потоком будет иметь место простая зависимость (2.5) :

                                                            _(2.5)

Ф – измеряемый поток;

w — число витков измерительной  рамки 2;

С_Ф— постоянная флюксметра в максвелл-витках или вебер-витках на одно деление шкалы.

Определение постоянной флюксметра С_Ф производится таким же способом, как и определение постоянной баллистического гальванометра, с применением образцовых взаимных индуктивностей.

При описанном устройстве флюксметра работа с ним затрудняется из-за невозможности установки его  подвижной части в нулевое  положение, так как при снятии катушки 2 с испытуемого магнита  рамка 3 хотя и получит толчок в  обратном направлении, но не придет точно  в исходное нулевое положение. Это  обусловлено неизбежным необратимым  рассеиванием энергии в виде тепла, выделяемого током в цепи рамки, а также потерями энергии на трение в опорах подвижной части прибора  и трение ее о воздух. В изготовляемых  микровеберметрах имеется дополнительное приспособление, которое называется электромагнитный корректор, позволяющий устанавливать стрелку прибора в любое положение, в частности и на нулевую отметку. Устройство подобно механизму магнитоэлектрического прибора: между полюсами постоянного магнита помещена рамка 5, которую можно поворачивать от руки головкой 6.

Для изменения положения  указателя флюксметра относительно его шкалы, в частности для  установки указателя на нулевую  отметку, переключатель 7 переводят  в положение, отмеченное буквой К, при котором рамка прибора соединяется с рамкой корректирующего устройства. При этой схеме поворот рамки 5 головкой 6 будет вызывать соответствующее изменение положения указателя флюксметра. Установив указатель флюксметра в желаемое положение, переводят переключатель 7 в рабочее положение, отмеченное на рисунке 2 буквой И.

Флюксметр является прибором менее чувствительным, чем баллистический гальванометр, и поэтому не может  применяться для измерения слабых магнитных полей.

При измерении достаточно сильных полей флюксметр имеет  ряд преимуществ по сравнению  с баллистическим гальванометром. Постоянная флюксметра практически не изменяется при изменении внешнего сопротивления  цепи рамки в достаточно широких пределах от нуля до 8-20 Ом Наибольшее допустимое значение этого сопротивления указано на шкале прибора. Показания флюксметра остаются правильными при изменении в широких пределах скорости удаления (или внесения) измерительной рамки из магнитного поля. При работе с баллистическим гальванометром эта операция должна производиться очень быстро (за 0,1-0,2 секунды) Указатель флюксметра, отклонившись на определенный угол, остается в этом положении неподвижным достаточно долго для спокойного отсчета показаний. В противоположность этому, при работе с баллистическим гальванометром для обеспечения правильности отсчета максимального отклонения указателя требуется большое напряжение внимания.

 

2.3. Пермеаметры

 

Пермеаметры - устройства, позволяющие быстро и удобно осуществлять относительно равномерное намагничивание образцов стали, имеющих форму стержней круглого или прямоугольного сечения. На рисунке 3 а дан внешний вид одной из конструкций пермеаметра, а на рисунке 3 б приведена схема включения его.

 

 

Основными частями этого  пермеаметра являются массивная  рама 1 из мягкой стали с высокой  магнитной проницаемостью и две  обмотки w₁ и w₂. Через боковые отверстия в раму вводится испытуемый образец Р, плотно зажимаемый при помощи специальных конических втулок. Обмотка w₁ является намагничивающей, обмотка w₂ служит для включения баллистического гальванометра. Переключатель 2 позволяет включать и изменять направление тока в намагничивающей обмотке. Порядок определения магнитного потока в испытуемом образце остается таким же, как и при испытании кольцевой пробы. Некоторое затруднение возникает с вычислением напряженности магнитного поля Н. Вычисление ее по формуле (2.6):

 

                                                     _(2.6)

где l – длина образца, было бы справедливо только при бесконечно малом магнитном сопротивлении ярма и стыков пробы с ярмом

 

Сопротивлением этим можно  пренебречь при испытании материалов с низкой магнитной проницаемостью   (чугун,  поделочные стали), при испытании проб с высокой магнитной проницаемостью необходимо при вычислении напряженности поля вводить поправки. Эти поправки даются в виде кривых срезывания, прилагаемых к прибору.

Амперметры, предназначенные  для пермеаметров, иногда градуируют не в амперах, а в значениях  напряженности магнитного поля исходя из приведенной выше зависимости  между Н и I.

 

2.4 Исследование  стали в переменном магнитном  поле

 

Магнитные свойства стали, определенные описанными выше способами на постоянном токе, позволяют определить характеристики стали и при переменном магнитном  потоке В частности, по площади петли гистерезиса можно подсчитать потери на гистерезис при переменном потоке. По эмпирическим формулам могут быть вычислены и потери на вихревые токи Подобные вычисления дают только приближенные результаты, поэтому желательно определять характеристики электротехнических сталей на переменном токе путем непосредственных измерений.

Ваттметровый  метод. На рисунке 4 дан общий вид, а на рисунке 5 приведена схема аппарата для определения ваттметровым методом потерь в пробах листовой стали, применяемой для   изготовления магнитопроводов электрических машин и трансформаторов. Четыре гетинаксовые втулки 1 прямоугольного сечения укреплены на общем основании, образуя квадрат. На втулках помещены две обмотки с равным числом витков: w₁ намагничивающая и w₂ — измерительная. Во втулки закладывают пакеты 2 из листов испытуемой стали. Стыки пакетов тщательно стягиваются при помощи особых зажимов, не показанных на схеме. Для устранения потерь в стыках в них закладывают тонкие прокладки из электротехнического картона, толщина которых предварительно тщательно измеряется микрометром и в дальнейшем учитывается при подсчете намагничивающих ампер-витков.

 

Рисунок 4. Аппарат для определения потерь в стали

 

Намагничивающая обмотка  питается от источника переменного тока с регулируемой частотой,  измеряемой частотомером Hz. К вольтметру V и к параллельной обмотке ваттметра подается напряжение от измерительной обмотки. Переменный ток, проходя по намагничивающей обмотке, создает в сердечнике переменный магнитный поток с амплитудным значением Ф_м. На рисунке 5 представлена схема для определения потерь в стали ваттметровым методом.