Определение квазистатических характеристик магнитных материалов

 

Продолжительность лабораторной работы – 4 часа, самостоятельной работы – 2 часа.

 

Цель работы

- усвоить методику экспериментального определения квазистатических петель гистерезиса первоначальной и основной кривой намагничивания, относительной магнитной проницаемости магнитных материалов;

- приобрести навыки работы с автоматической измерительной системой, реализующей индукционно-непрерывный метод измерений.

 

Программа работы

1 Собрать схему для определения квазистатических характеристик магнитных материалов индукционно-непрерывным методом (рисунок 8.5)

2 Определить первоначальную кривую намагничивания магнитного материала исследуемого образца. Построить зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Определить максимальную относительную магнитную проницаемость .

3 Определить предельную петлю гистерезиса магнитного материала.

4 Определить основную кривую намагничивания магнитного материала.

Приборы, используемые при выполнении лабораторной работы

1 Автоматическая измерительная система «MagHyst»;

2 Кольцевой испытуемый образец магнитного материала;

3 Персональный компьютер IBM PC.

 

 

Пояснения к работе

Схема для определения квазистатических характеристик магнитных материалов индукционно-непрерывным методом приведена на рисунке 8.5.

 

Рисунок 8.5

 

Схема обеспечивает режим намагничивания с постоянной скоростью изменения магнитного потока в образце . При достаточно малой скорости перемагничивания динамическая погрешность измерения статических магнитных характеристик является незначительной, так как в этом случае имеет место наименьшее влияние вихревых токов и магнитной вязкости магнитных материалов на результаты измерения. Реализация этого режима сводится к поддержанию постоянного значения ЭДС, индуцированной в измерительной катушке испытуемого образца, в течение всего цикла перемагничивания. Это реализуется в замкнутой системе с отрицательной обратной связью, в которой индуцированная ЭДС сравнивается с опорным напряжением и скорость изменения напряжения намагничивающего поля регулируется так, чтобы разность свести к нулю.

Функциональная схема автоматической измерительной системы (АИС) MagHyst для определения квазистатических характеристик магнитных материалов приведена на рисунке 8.6.

На схеме рисунка 8.6. введены следующие обозначения: БУ – блок управления; УИТ – управляемый источник тока; ООС – отрицательная обратная связь. Управляющее напряжение блока управления БУ поступает в управляемый источник тока УИТ, осуществляющий изменение намагничивающего тока . Нагрузкой УИТ является намагничивающая обмотка кольцевого испытуемого образца (далее «образец»). Индуктируемая в измерительной обмотке при перемагничивании образца ЭДС интегрируется и определяется потокосцепление в измерительной обмотке . Для косвенного измерения напряженности магнитного поля по току в образце служит образцовый резистор , включенный последовательно с намагничивающей обмоткой.

 

 

Рисунок 8.6

 

Первичная (намагничивающая) и вторичная (измерительная) обмотки равномерно распределены по образцу. Образец имеет следующие геометрические размеры: площадь поперечного сечения , длина средней линии , внутренний диаметр , наружный диаметр , толщина . Ток первичной обмотки вызывает намагничивающую силу и магнитный поток в образце. Далее приведены расчетные соотношения для определения значений и – усредненных по площади поперечного сечения образца напряженности магнитного поля и магнитной индукции.

, , , , ,

Значения и определяются по формулам:

, .

Графические зависимости, иллюстрирующие процедуры изменения квазистатических характеристик магнитных материалов, приведены на рисунке 8.7.

Рисунок 8.7

 

Измерение квазистатических характеристик разделено на несколько этапов (рисунок 8.7). На первом этапе в результате непрерывного повышения тока намагничивания , а следовательно, и напряженности магнитного поля до его максимального значения, определяется кривая первоначального намагничивания (ПКН). На втором этапе определяется верхняя часть петли магнитного гистерезиса путем уменьшения тока намагничивания до его минимального значения. На третьем этапе определяется нижняя часть петли магнитного гистерезиса в ходе повторного повышения тока намагничивания до его максимального значения.

Измеряемые напряжения и токи отображаются на мониторе ПЭВМ в процессе измерения квазистатических характеристик. По окончанию измерения зависимости представляются в виде , , и сохраняются в памяти ПЭВМ.

Сохранение измеренных параметров и зависимостей возможно в виде файла данных. Управление АИС MagHyst осуществляется через последовательный COM-порт ПЭВМ.

Подготовка автоматической измерительной системы к работе

Собрать схему для определения квазистатических характеристик магнитных материалов, изображенную на рисунке 8.5 для чего:

1 Соединить интерфейсным кабелем COM-порт ПЭВМ и разъём RS 232 на передней панели АИС MagHyst. Подключить обмотки образца согласно цветовой схемы разъёмов. Убедившись в правильности подключения обмоток включить АИС MagHyst в сеть переменного тока 220В, 50Гц, и включить
питание с помощью переключателя, расположенного на задней панели АИС MagHyst. Запустить программу MagHyst, отменив открытие файлов настроек *.ini.

2 Перед началом измерения необходимо указать вид измеряемого объекта – кольцевой, параметры объекта и условия перемагничивания. Для задания основных параметров измерения используется команда Parameter из меню команд. На рисунке 8.8 показано окно, которое открывается при выборе этой команды.

 

Рисунок 8.8

 

2.1 Область Data measurement предназначена для задания параметров перемагничивания. В поле dPsi/dt [V] задается значение напряжения, наводимого во вторичной обмотке. Нажатием кнопки Auto выполняется автоматический расчет величины в зависимости от поперечного сечения образца и числа витков во вторичной обмотке таким образом, чтобы в случае массивных образцов магнитное поле проникало до центра образца. В полях Imin [A] и Imax [A] задаются максимальное и минимальное значения токов намагничивания. Флажок Imin=Imax устанавливает равенство по модулю этих значений. В раскрывающемся списке I-Range определяется предел тока в амперах.

2.2 Области Dimension и Core parameters позволяют определить тип образца, описать его параметрически или задать геометрические размеры. Установив активным переключатель Toroidal выбирается кольцевой тип образца. Описать его можно либо установив флажок напротив Manuell и введя параметрические величины и в области Core paremeters, либо вводя геометрические размеры , , в области Dimension. Для кольцевого
образца С45 действительны следующие параметры: мм, мм², мм, мм, мм.

2.3 В области Coil задается число витков первичной Wp и вторичной Ws обмоток согласно информации, приведенной на образце (по 196 витков).

2.4 При установленном флажке Info появляется дополнительная информационная область, содержащая следующие рассчитываемые параметры:

I max - максимальный ток (А)

Psi max - максимальное потокосцепление (Вб)

Theta max - ампер-витки (А)

Phi max - максимальный поток (Вб)

H max - максимальная напряженность поля (а/м)

B max - максимальная индукция (Тл)

3 При нажатии кнопки Automatic measurement B(H) на панели инструментов вступают в силу настройки, принятые в пункте меню Parameter и запускается процесс измерения. В области ADC (t) в реальном режиме времени отображаются следующие характеристики: изменение тока возбуждения I (t); изменение значения задающего напряжения U (t); изменение индуцированного напряжения Usek (t) в измерительной обмотке Ws.

4 Результаты измерений представлены в графическом окне в виде зависимостей , , . Переключение между видами осуществляется кнопками на панели управления: , , .

5 Сохранение результатов измерений с целью дальнейшей обработки в программах MathCAD, Excel, Maxwell возможно в различных вариантах.

Рисунок 8.9

 

6 На примере файла в формате Excel “.xls” поясним пример обработки данных. Сохраненный файл представляет собой массив данных, состоящий из шести столбцов (D, E, G, H, J, K). D, E – зависимость магнитных параметров для первоначальной кривой намагничивания. G, H – для верхней ветви петли гистерезиса (кривая в 1,2,3 квадрантах). J, K – для нижней ветви петли гистерезиса (кривая в 3,4,1 квадрантах). Построить необходимые графики зависимостей можно выбрав пункт меню Вставка –> Диаграмма. Выбирается точечный тип диаграммы со значениями, соединенными сглаживающими линиями.

 

Контрольные вопросы

1 Каковы источники погрешности при определении квазистатических характеристик магнитных материалов по сравнению с их статическими характеристиками?

2 Сравнить первоначальную и основную квазистатические кривые намагничивания, объяснить причину различий этих характеристик.

3 С какой целью намагничивающую и измерительную обмотки распределяют равномерно по кольцевому образцу?

 

Литература

[9, С. 10-216; 10, С. 10-376]

 

Библиографический список

 

1 Основы метрологии и электрические измерения: Учеб. для вузов / Под ред. Е.М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с.

 

2 Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерения: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 205 с.

 

3 Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника. – М.: Энергия, 1967. – 400 с.

 

4 Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учеб. для вузов. – М.: Изд. центр «Академия», 2003. – 336 с.

 

5 Мирский Г.Я. Электронные измерения. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1986. – 103 с.

 

6 Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н.Н. Евтихиева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.

 

7 Теняков Е.И. Общие требования и правила оформления текстовых документов в учебном процессе. Изд. 2-е / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. – 28 с.

 

8 Яворский Б.М., Детлар А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1968.

 

9 Антонов В.Г. Средства измерений магнитных параметров материалов. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 216 с.

 

10 Шихин А.Я. Испытание магнитных материалов и систем. – М: Энергоатомиздат, 1984. – 376 с.

 

 

 

Учебное издание

 

Методические указания к лабораторным работам

по основам метрологии и электрическим измерениям

Редакторы: Е.В. Кулыгина

С.Г. Студенникова

Компьютерная верстка: И.Р. Чебанов

 

Подписано в печать 10.11.2004 г.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная.

Печ. л. 4,9. Уч.-изд. л. 5,2. Тираж 200 экз. Заказ 47-1900.

 

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

Центр оперативной полиграфии ЮРГТУ (НПИ)

Адрес университета и центра оперативной полиграфии:

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, тел. 55-222