Магнитные измерения(принцип построения приборов, способы измерения магнитного потока, магнитной индукции)

ГБПОУ СО “Ртищевский политехнический лицей”
Доклад
По
Физике
,, Магнитные измерения(принцип построения приборов, способы измерения
магнитного потока, магнитной индукции)”
Выполнил студент группы №251
По профессии:
Сварщик (ручной и частично
Механизированной сварки
(наплавки))
Одиноков Владимир Владимирович
Проверила:Лебедева Татьяна Ивановна
2022-2023 учебный год
Введение:
Задачи магнитных измерений. Область электротехники, которая занимается
измерением магнитных величин, обычно называется магнитными
измерениями. С помощью методов и оборудования для магнитных измерений
в настоящее время решается множество проблем.
Основными являются следующие:
Измерение магнитных величин (магнитная индукция, магнитный поток,
магнитный момент и т. д.);
Определение характеристик магнитных материалов;
Исследование электромагнитных механизмов;
Измерение магнитного поля Земли и других планет;
Изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);
Изучение магнитных свойств атома и атомного ядра; определение дефектов в
материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и др.
Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений,
обычно определяют только несколько основных магнитных величин:
магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля
Н, намагниченность М, магнитный момент t и т. д. Кроме того, во многих
методах измерения магнитного поля. величины, на самом деле измеряется не
магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина
преобразуется во время измерения. Интересующая нас магнитная величина
определяется расчетом, основанным на известных соотношениях между
магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой таких
методов является второе уравнение Максвелла, которое связывает магнитное
поле с электрическим полем; Эти поля являются двумя проявлениями особого
типа материи, называемой электромагнитным полем.
Другие (не только электрические) проявления магнитного поля, например,
механические, оптические, также используются в магнитных измерениях.
Эта глава знакомит читателя только с некоторыми методами определения
основных магнитных величин и характеристик магнитных материалов.
Меры магнитных величин. Единицы магнитных величин воспроизводятся с
использованием соответствующих стандартов. В нашей стране существует
первичный стандарт магнитной индукции и первичный стандарт магнитного
потока. Для переноса размера единиц магнитных величин из первичных
стандартов в рабочие измерительные приборы используются рабочие
стандарты, примерные и рабочие меры магнитных величин и примерные
измерительные приборы. Примером переноса размеров единиц является
калибровка или проверка приборов для измерения магнитных величин,
которая выполняется с использованием мер магнитных величин и примерных
измерительных приборов.
Катушки специальной конструкции (например, кольца Гельмгольца,
соленоид) могут использоваться в качестве меры магнитной индукции
(напряженности магнитного поля), через обмотки которой протекает
постоянный ток постоянных магнитов.
В качестве меры магнитного потока обычно используется взаимно
индуктивная мера магнитного потока, состоящая из двух гальванически не
связанных друг с другом обмоток и воспроизводящих магнитный поток,
который связан с одной из обмоток, когда электрический ток протекает через
другую обмотку.
Принципы построения устройств и методы измерения магнитного потока,
магнитной индукции и напряженности магнитного поля
Принципы построения приборов для измерения магнитных величин. В
настоящее время известно множество различных приборов и методов для
измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности
магнитного поля. Как правило, прибор для измерения магнитных величин
состоит из двух частей - измерительного преобразователя, целью которого
является преобразование магнитной величины в значение другого типа
(электрическое, механическое), более удобное для дальнейших операций, и
измерение устройство для измерения выходной величины измерительного
преобразователя.
Измерительные преобразователи, входная величина которых представляет
собой магнитную величину, называются магнитоизмерительными и в
соответствии с типом выходной величины делятся на три основные группы:
магнитоэлектрические преобразователи (величина электрической мощности),
магнитомеханическая
(величина
механической
мощности)
и
магнитооптический (оптический выходной объем).
В каждой из этих групп есть много типов преобразователей, основой для
создания которых являются определенные физические явления.
В качестве наиболее распространенных явлений можно назвать следующие:
явление электромагнитной индукции;
силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного
магнита или цепью с током;
гальваномагнитные явления;
явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;
явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.
Вторая часть устройства для измерения магнитных величин может
представлять собой либо обычное устройство для измерения электрических
величин, либо устройство с особыми характеристиками.
Применение баллистического гальванометра
В лабораторной практике при исследовании электрических машин, аппаратов,
трансформаторов, при испытаниях магнитных материалов, используемых в
производстве на электрических установках, часто необходимо измерять
магнитные величины, такие как: магнитный поток, магнитная индукция,
магнитодвижущая сила, напряженность магнитного поля, магнитное поле.
проницаемость, а также гистерезис и потери на вихревые токи в
ферромагнитных материалах.
В большинстве случаев магнитные величины измеряются косвенным методом
- путем измерения определенных электрических величин (тока, эдс,
количества электричества), функционально связанных с измеренной
магнитной величиной. Измерения магнитных величин в настоящее время
составляют большой независимый раздел измерительной техники с глубоко
развитой теорией.
Некоторые методы и оборудование для магнитных измерений используются
не только в лабораториях, специализирующихся в области магнитных
измерений, но и в более универсальных лабораториях, занимающихся
испытаниями и исследованиями электрических машин и аппаратов.
Обычно используемые магнитные измерения включают в себя:
измерения баллистическим гальванометром;
измерения с помощью флюксметра;
определение потерь в стали ваттметрическим методом;
измерение переменных магнитных потоков с помощью потенциометра.
Поясняющая общий принцип измерения постоянного магнитного потока с
помощью баллистического гальванометра. Чтобы измерить магнитный поток
на гальванометре, необходимо прикрепить измерительную рамку с
определенным числом витков w, расположенную в исследуемом постоянном
магнитном поле. Повороты рамы покроют некоторый поток Fx.
Работа этого устройства основана на принципе, согласно которому первое
наибольшее отклонение указателя баллистического гальванометра
пропорционально числу связей магнитного потока с витками измерительной
рамы.
Показана практическая схема использования баллистического гальванометра
для взятия кривой намагничивания, то есть для определения зависимости B =
f (H). К кольцевому сердечнику 1, изготовленному из исследуемой стали,
приложены две обмотки: намагничивание 2 и измерение 3. Баллистический
гальванометр подключен к измерительной обмотке. Намагничивающая
обмотка запитывается от источника 4 постоянного тока через амперметр и
реостат. Переключатель 5 позволяет изменить направление тока в обмотке.
Чтобы определить зависимость B = f (H), в намагничивающей обмотке
устанавливается ток, который соответствует заданному значению H и
рассчитывается заранее по приведенной выше формуле, затем направление
тока в обмотке быстро изменяется с помощью Переключатель 5. Когда
направление тока меняется на обратное, магнитный поток в сердечнике будет
изменяться по некоторому сложному закону от значения + F до значения -F,
то есть изменение потока в измерительной раме будет быть равным 2F, и с
учетом этого рассчитывается поток в сердечнике:
Найденное значение B и ранее рассчитанное значение H позволяют рассчитать
магнитную проницаемость.
Флюксметр
Очень удобным устройством для измерения постоянного магнитного потока
является флюксметр, иногда называемый веб-метр или милливерметр.
Флюксметр представляет собой устройство магнитоэлектрической системы, в
котором подача тока на движущуюся систему осуществляется не через
пружины, а через безмасляные спирали, то есть в его измерительном
механизме нет противоположного момента. В результате указатель
флюксметра, при отсутствии тока в обмотке рамки, может занять любое
положение относительно шкалы.
Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической
системы, имеет безрамную рамку, однако он рассчитан таким образом, чтобы
при внешнем сопротивлении менее 20 Ом подвижная часть находилась в
режиме повторного успокоения. Как и в случае баллистического
гальванометра, подвижная часть флюксметра выполнена с относительно
большим моментом инерции.
Поясняющая процесс измерения магнитного потока с использованием
флюксметра. Для измерения магнитного потока, например, постоянного
магнита 1, измерительная рамка 2 соединена с зажимами флюсметра, которые
состоят из достаточного количества витков медного провода. Если эту рамку
надеть на проверенный магнит, то при движении рамки 2 в ней будет
индуцирована эдс, создавая ток в цепи устройства. Под действием этого тока
подвижная рама 3 устройства начнет вращаться. После того, как
измерительная рамка 2 будет приведена в положение, и остановлена,
действующая в ней эдс исчезнет, но рамка 3 по инерции продолжит двигаться
немного больше. Переместившись на некоторый угол a от исходного
положения, рамка 3 остановится.
Теория флюсметра показывает, что движение рамы прекращается после того,
как число связей потока витков рамы 3 с магнитным потоком 4 изменяется на
ту же величину, что и связи потока измерительной рамы 2 с измеренным
магнитным потоком. F.
Если демпфирование устройства достаточно велико, для которого
сопротивление каркасной цепи не должно превышать определенного предела,
определенного для данной конструкции (обычно 8-20 Ом), то будет иметь
место простая зависимость между углом поворота стрелка измерителя потока
и измеренный магнитный поток.
Определение константы флюсметра Сф выполняется так же, как и
определение константы баллистического гальванометра с использованием
примерных взаимных индуктивностей.
С описанным устройством флюксметра трудно работать с ним из-за
невозможности установки его подвижной части в нулевое положение,
поскольку при снятии катушки 2 с проверяемого магнита рамка 3, хотя и
получит толчок в противоположном направлении, не дойдет точно до
начальной нулевой позиции. Это связано с неизбежным необратимым
рассеянием энергии в виде тепла, генерируемого током в цепи каркаса, а также
с потерями энергии из-за трения в опорах движущейся части устройства и его
трения о воздух. В выпускаемых микроверметрах имеется дополнительное
устройство - электромагнитный корректор, позволяющий установить
указатель устройства в любое положение, в частности на нулевую отметку.
Это устройство, встроенное в корпус устройства и обведено пунктирными
линиями. Его структура аналогична механизму магнитоэлектрического
устройства: между полюсами постоянного магнита имеется рамка 5, которую
можно поворачивать рукой с помощью головки 6.
Для изменения положения указателя флюксметра относительно его шкалы, в
частности для установки указателя на нулевую отметку, переключатель 7
перемещается в положение, помеченное буквой K, в котором рамка прибора
соединена с рамой корректирующего устройства. При такой схеме поворот
рамы 5 на головку 6 вызовет соответствующее изменение положения
указателя флюксметра. Установив указатель флюксметра в нужное
положение, переведите переключатель 7 в рабочее положение.
Флюксметр менее чувствителен, чем баллистический гальванометр, и поэтому
его нельзя использовать для измерения слабых магнитных полей.
При измерении достаточно сильных полей у флюксметра есть несколько
преимуществ перед баллистическим гальванометром. Константа флюксметра
практически не изменяется, когда внешнее сопротивление цепи каркаса
изменяется в довольно широком диапазоне от нуля до 8-20 Ом. Максимально
допустимое значение этого сопротивления указано на шкале устройства.
Показания флюксметра остаются правильными при изменении в широком
диапазоне скорости удаления (или введения) измерительной рамки из
магнитного поля. При работе с баллистическим гальванометром эта операция
должна выполняться очень быстро (за 0,1–0,2 секунды). Указатель
флюксметра, отклонившись на определенный угол, остается в этом положении
неподвижно достаточно долго для спокойного считывания показаний.
Напротив, при работе с баллистическим гальванометром требуется много
внимания, чтобы обеспечить правильное считывание максимального
отклонения указателя.
Пермеаметры
Исследование свойств стали путем взятия кривой намагничивания кольцевого
образца дает наиболее точные результаты, но это практически неудобно из-за
сложности изготовления образца и из-за сложности применения обмоток к
Это. Эти трудности исчезают при использовании пермеаметров - устройств,
позволяющих быстро и удобно проводить относительно равномерное
намагничивание стальных образцов, имеющих форму стержней круглого или
прямоугольного сечения.
Дан внешний вид одной из конструкций пермеаметра, а на фиг. 4b показана
схема его переключения.
Основными частями этого пермеаметра являются массивная рама 1 из мягкой
стали с высокой магнитной проницаемостью и двумя обмотками w1 и w2.
Испытательный образец Р вводится в раму через боковые отверстия, плотно
зажатые с помощью специальных конических втулок. Обмотка w1
намагничивается, обмотка w2 используется для включения баллистического
гальванометра. Переключатель 2 позволяет включить и изменить направление
тока в намагничивающей обмотке. Процедура определения магнитного потока
в исследуемом образце остается такой же, как и при испытании кольцевого
образца. Некоторая трудность возникает при расчете напряженности
магнитного поля H.
Амперметры, предназначенные для пермеаметров, иногда калибруют не в
амперах, а в значениях напряженности магнитного поля, основываясь на
вышеупомянутой зависимости между H и I.
Исследование стали в переменном магнитном поле
Магнитные свойства стали, определяемые описанными выше методами на
постоянном токе, позволяют определять характеристики стали при
переменном магнитном потоке. В частности, потери гистерезиса при
переменном потоке можно рассчитать по площади петли гистерезиса. Потери
на вихревые токи также можно рассчитать по эмпирическим формулам.
Подобные расчеты дают только приблизительные результаты, поэтому
желательно определять характеристики электротехнических сталей на
переменном токе с помощью прямых измерений.
Ваттметрический метод. На фиг.5 показан общий вид, а на фиг.6 показана
схема устройства для определения потерь в образцах из листовой стали,
используемых для изготовления магнитопроводов электрических машин и
трансформаторов методом ваттметра. Четыре рукава getinax 1 прямоугольного
сечения закреплены на общем основании, образуя квадрат. На втулках
размещены две обмотки с одинаковым числом витков: w1 намагничивает, а w2
измеряет. Пакеты 2 листов из испытанной стали размещаются во втулках.
Соединения пакетов тщательно затягиваются с помощью специальных
зажимов, которые не показаны на схеме. Чтобы исключить потери в
соединениях, в них укладывают тонкие прокладки из электрокартона,
толщина которого предварительно тщательно измеряется микрометром и
впоследствии учитывается при расчете намагничивающихся ампер-витков.
Намагничивающая обмотка питается от источника переменного тока с
регулируемой частотой, измеряемой частотомером Гц. Напряжение от
измерительной обмотки подается на вольтметр V и на параллельную обмотку
ваттметра. Переменный ток, проходящий через намагничивающую обмотку,
создает переменный магнитный поток в сердечнике с амплитудой FM.
Этот поток создает ЭДС в измерительной обмотке.
Ваттметр, подключенный по схеме, измеряет сумму мощности, затраченной
на покрытие потерь в стали, и мощности, потребляемой вольтметром и
параллельной обмоткой ваттметра. Учитывая это.
Индукционный метод
Для изучения свойств стальных образцов при намагничивании переменного
тока, а также для определения характеристик готовых магнитных цепей
переменного тока широко используется индукционный метод измерения
магнитного потока.
По существу, индукционный метод состоит в измерении ЭДС,
индуцированной исследуемым переменным магнитным потоком в
измерительной обмотке с известным числом витков.
Измерение индуцированной ЭДС может быть произведено различными
способами, одним из которых является потенциометр переменного тока.
Пример использования потенциометра для измерения переменного
магнитного потока в любой части сложной магнитной цепи.
Измерительная рама 1 с известным числом оборотов размещена в этом
устройстве или машине так, что она покрывает весь измеряемый магнитный
поток.
Электродвижущая сила E, возникающая в кадре 1, измеряется
потенциометром переменного тока, после чего магнитный поток
рассчитывается по формуле
По найденному значению Фm, зная размеры магнитопровода, можно
рассчитать индукцию в заданном участке магнитопровода.
Эта же формула также используется для определения магнитной индукции в
любом воздушном зазоре магнитной цепи, если явлением расширения
силовых линий можно пренебречь.
Если необходимо измерить индукцию в воздушном зазоре магнитной цепи,
когда явлением расширения линий магнитного поля нельзя пренебречь, прямо
в зазор помещается миниатюрная измерительная рамка с известной площадью
sp. В этом случае среднее значение индукции определяется по месту разрыва,
где расположена рамка.
Конкретным преимуществом описанного способа измерения магнитного
потока является отсутствие тока в измерительной петле. Это позволяет
проводить измерения без нарушения нормальной моды и распределения
магнитных потоков в исследуемом устройстве.
Измерение по схеме позволяет определить не только модуль, но и фазу
магнитного потока, и таким образом узнать полную картину электрических и
магнитных процессов в данной конструкции.
В частности, с помощью потенциометра можно записать основную кривую
намагничивания кольцевого образца на переменном токе и определить потери
в стальных образцах.
Следует отметить, что при работе с потенциометром переменного тока
используется вибрационный гальванометр, настроенный на основную
частоту, поэтому измерение магнитного потока с помощью потенциометра
дает хорошие результаты только в тех случаях, когда форма кривой
измеренного потока не значительно отличаются от синусоиды.
Вывод:
Кривая цикла гистерезиса может быть взята по точкам при постоянном токе с
использованием баллистического гальванометра, но она будет немного
отличаться от реальной кривой при работе магнитной цепи с переменным
магнитным потоком. Существует способ визуально наблюдать кривую цикла
гистерезиса, когда образец намагничивается переменным током на экране
электронного осциллографа. Схема, используемая для этого. Исследуемый
сердечник, например, в виде кольца 1, изготовленного из стальных листов,
снабжен намагничиванием 2 и измерением 3 обмоток. Требуемое значение
тока намагничивания устанавливается амперметром А. Напряжение от шунта
r подается на пластины горизонтального отклонения электронного
осциллографа; горизонтальное отклонение луча в любой данный момент будет
пропорционально току намагничивания и, соответственно, напряженности
поля H, мгновенное значение падения напряжения на конденсаторе
пропорционально мгновенному значению индукции в образце. Это
напряжение подается на пластины вертикального отклонения осциллографа, и
на экране отображается кривая цикла гистерезиса.
Кривая цикла гистерезиса, полученная описанным способом на экране
осциллографа, отличается как по форме, так и по площади от кривой, взятой
из данного образца при постоянном токе с использованием баллистического
гальванометра. Причина этого заключается в том, что площадь кривой
гистерезиса, взятой на постоянном токе, определяется только потерей
гистерезиса, и на экране осциллографа получается кривая, площадь которой
соответствует сумме гистерезиса и Вихретоковые потери.