Измерения магнитных величин

5.1. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Магнитные измерения тесно связаны с электрическими измерениями, так как электрические и магнитные явления представляют собой части единого электромагнитного процесса. В большинстве случаев при определении той или иной магнитной величины измеряется практически электрическая величина, значение которой представляет собой функцию измерения магнитной величины. Сама же магнитная величина определяется расчетным путем на основании соотношений, связывающих магнитные и электрические величины. Посредством магнитных измерений решается ряд задач, к которым относятся исследование магнитных свойств веществ и материалов, атомов и атомного ядра; контроль качества магнитных материалов и изделий из них; измерение магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов; исследование магнитного поля Земли и других планет; изучение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам. Каждая из этих областей исследований предъявляет свои требования к диапазону и точности измерений, частотному диапазону, условиям измерения и к средствам измерения.

В Российской Федерации область магнитных измерений базируется на трех первичных эталонах — магнитной индукции и напряженности, магнитного потока и магнитного момента.

Эталон единицы магнитной индукции и напряженности — 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. Основной параметр меры индукции — ее постоянная К_в= В/I. В качестве меры магнитной индукции В и напряженности Н могут служить соленоиды и постоянные магниты.

Эталон магнитного потока — катушка взаимной индуктивности, состоящая из двух гальванически не связанных между собой обмоток и воспроизводящая магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой протекает электрический ток. 103

Эталон единицы магнитного момента — группа постоянных магнитов эллипсоидной формы. Значения магнитных моментов определены путем сравнения индукции поля, создаваемого магнитом, с индукцией поля катушки как эталоном единицы магнитной индукции.

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

5.2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА

При создании приборов для измерения магнитного потока обычно используется явление электромагнитной индукции. При изменении магнитного потока в измерительной катушке (ИК) возникает ЭДС. Измерительная катушка является преобразователем, с помощью которого магнитные величины (магнитный поток Ф. магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н) могут быть преобразованы в ЭДС и измерены. Магнитоизмеритель-ный преобразователь в виде ИК можно использовать для измерения параметров постоянного и переменного магнитных полей. В зависимости от характера измеряемой величины к ИК предъявляются различные требования относительно ее формы, размеров, расположения и т.д. Основной характеристикой ИК является ее постоянная, определяемая через произведение числа витков на площадь витка.

Для измерения постоянного магнитного потока используют баллистический гальванометр (БГ) или веберметр. Основные характеристики БГ — его постоянная и период свободных колебаний. Погрешность измерения составляет 0, 5... 1, 0%. Баллистический гальванометр обеспечивает высокую чувствительность и точность, является прибором магнитоэлектрической системы с неградуиро-ванной шкалой и требует определения постоянной при каждом измерении.

Веберметр — прибор с градуированной шкалой для измерения магнитного потока. Существуют веберметры магнитоэлектрические, фотогальванометрические, аналоговые электронные и цифровые.

Магнитоэлектрический веберметр представляет 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, так как указатель веберметра остается неизменным в положении первого максимального отброса. По точности и чувствительности он уступает баллистическому гальванометру. Диапазон из- Мерений магнитоэлектрических микровеберметров — 500...10 000 мкВб; Классы точности — 1, 0; 2, 5; 4, 0 (в зависимости от сопротивления Внешней цепи — 10; 20; 30 Ом).

Фотогальванометрический веберметр представляет собой фо-гогальванометрический усилитель с отрицательной обратной связью, которая осуществляется с помощью RC-цепи. Диапазон измерений фотогальванометрических микровеберметров — 2...2000 мкВб; классы точности — 1, 0; 2, 5 (сопротивление внешней цепи 100... 1000 Ом).

Диапазон измерений цифровых микровеберметров — 10 мкВб... ЮмВб; класс точности — 0, 05 (с внешним сопротивлением 100 Ом). Диапазон измерений аналоговых электронных микровеберметров — 25...2500 мкВб; классы точности — 1, 0; 1, 5; 2, 5; 4, 0.

Периодически изменяющиеся магнитные потоки измеряются индукционным методом, в основе которого лежит закон электромагнитной индукции. Измерению подлежит переменная ЭДС, индуцируемая в ИК, которая и является неподвижным индукционным преобразователем, охватывающим переменный поток. Концы ИК можно подключить к вольтметру среднего, действующего, амплитудного значения, к компенсатору, компаратору, в зависимости от требуемой точности и наличия СИ. В зависимости от СИ можно получить различные значения одного и того же потока, что особенно важно, когда кривая ЭДС несинусоидальна.

5.3. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

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

Преобразователь Холла. Преобразователь представляет собой пластину из полупроводникового материала, по которому пропускается постоянный или переменный ток. При помещении преобразователя в магнитное поле на боковых его гранях возникает ЭДС Холла. Выпускаемые промышленностью тесламетры с преобразователем Холла имеют следующие параметры: диапазон измерения — 0, 002...2 Т; классы точности — 1, 0; 1, 5; 2, 5; частотный диапазон — до 1000 МГц.

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

Недостатки: показания приборов зависят от температуры внешней среды.

Ядерно-резонансные тесламетры. Это приборы, в которых в качестве преобразователя применяется разновидность квантового магнитоизмерительного преобразователя, действие которого основа но на взаимодействии микрочастиц (атомов, ядер атомов) с магнитным полем. В качестве квантового преобразователя можно использовать ядерно-резонансный преобразователь, позволяющий измерить магнитную индукцию с высокой точностью. Диапазон измерений — 0, 01... 10 Т; классы точности — 0, 001...0, 1.

Ферромодуляционные тесламетры. Они предназначены для из мерения магнитной индукции В и напряженности Н в малых постоянных и низкочастотных переменных полях. Тесламетры основанные на явлении сверхпроводимости, позволяют изме -рить параметры магнитного поля биотоков сердца и мозга че -ловека.

Напряженность магнитного поля Н измеряют электродина мическим способом, который основан на взаимодействии тока, протекающего по рамке, с измеряемым магнитным полем. О зна чении напряженности судят по углу отклонения рамки, поме щенной в измеряемое магнитное поле, при неизменном значе нии тока в ней.

5.4. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы делят на три группы: магнитомягкие (обычно используются для магнитопроводов); магнитотвердые (служат источниками 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, средств измерения, регистрации, обработки полученной информации и различных вспомогательных устройств.

В промышленных установках для определения статических характеристик магнитных материалов определяют индукцию В с помощью индукционно-импульсного метода, а напряженность поля Н — косвенно по силе тока в намагничивающей катушке и ее параметрам или с помощью магнитоизмерительных приборов. В установках для определения динамических характеристик магнитных материалов обычно используют индукционный магнито-измерительный 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 используют образцы в виде кольца, что обеспечивает наибольшую

Точность измерения. Но изготовление таких образцов — сложное Дело, поэтому гораздо проще испытывать образцы материалов в Виде полос, стержней с помощью специальных устройств — пермеаметров.

Основные статические характеристики. Это — характеристики Материалов, определяемые в постоянных магнитных полях и позволяющие отличить один материал от другого. К ним относятся: основная кривая намагничивания и симметричная петля гистере-зисного цикла, площадь которой пропорциональна энергии, затрачиваемой на перемагничивание, а точки пересечения с осями координат позволяют определить основные магнитные характеристики материалов (рис. 5.1).

Начальная кривая намагничивания (см. рис. 5.1, а) представляет собой зависимость магнитной индукции от напряженности намагничивающего поля Кривая 0А получается при монотонном увеличении напряженности поля предварительно размагниченного образца. На практике чаще пользуются основной кривой намагничивания являющейся геометрическим местом вершин симметричных гистерезисных петель (см. рис. 5.1, б). Из основной кривой намагничивания определяются значения нормальной магнитной проницаемости для различных значений В и Н. Из предельной гистерезисной петли находят остаточную индукцию материала В_г и коэрцитивную силу Н_св (напряженность поля, при которой В = 0), индукцию насыщения , относительную магнитную проницаемость _отн и ее начальное _нч и максимальное значения _mах.

Наиболее распространенный способ определения статических характеристик — индукционно-импульсный метод с использованием баллистического гальванометра и веберметра.

Рис. 5.1. Основные статические характеристики материалов: а — начальная кривая намагничивания; б — основная кривая намагничивания

Динамические характеристики. Эти характеристики зависят не только от качества самого материала, но и от формы и размеров образца, формы кривой и частоты намагничивающего поля. При намагничивании магнитного материала переменным магнитным полем магнитная индукция изменяется по кривой, называемой динамической петлей. Динамическая петля и ее площадь определя ют полную энергию, рассеиваемую за цикл перемагничивания т.е. потери за счет гистерезисных явлений, вихревых токов, магнитной вязкости и т.д. Семейство динамических петель характе ризует магнитный материал при данных размерах образца, форме и частоте магнитного поля. Геометрическое место вершины дин;) мических петель называется динамической кривой намагничивания Важными параметрами магнитных материалов в переменных магнитных полях являются различные виды магнитной проница емости.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте основные задачи магнитных измерений.

2. Какие эталоны составляют метрологическую основу магнитных из мерений?

3. Назовите основную характеристику измерительной катушки.

4. Как измеряется магнитный поток?

5. В чем отличие баллистического гальванометра от обычного магни тоэлектрического?

6. Назовите основные метрологические характеристики баллистичес кого гальванометра.

7. В чем отличие веберметра от баллистического гальванометра?

8. Как измеряют напряженность и магнитную индукцию?

9. Что представляет собой преобразователь Холла?

10. Как измеряют переменные магнитные поля?

11. Приведите классификацию магнитных материалов.

12. Перечислите статические и динамические характеристики магнитных материалов.

ГЛАВА 6