После записи результатов каждого измерения переключатель чувствительности нуль-индикатора должен сразу же устанавливаться в положение «выкл».

6. Установить переключатель П₆ в положение «Х₂» и способом, описанным в пунктах 2…4, измерить ЭДС вторичной обмотки Е₂ . Результаты измерения занести в таблицу 10.3.

Д. Измерение взаимной индуктивности катушки.

1. Собрать схему, показанную на рис. 10.5.

Поскольку ЭДС. Е₂ выше верхнего предела измерения компенсатора К-509 (Е₂ >1,6 В), подать измеряемый сигнал на вход Х₁ через делитель напряжения К-509.

2. Установить ЛАТРом по миллиамперметру номинальный рабочий ток компенсатора I_{р ном} = 0,5 А.

3. Установить переключатель П₆ в позицию "Х₁" и, действуя в соответствии с указаниями пунктов 2…4 предыдущего раздела, измерить ЭДС Е₂ вторичной обмотки катушки взаимной индуктивности М.

4. Изменить ЛАТРом рабочий ток компенсатора до I_р = 0,5 А и убедиться, что в данном случае результат измерения не зависит от величины рабочего тока компенсатора.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность компенсационного метода измерений на переменном токе?

2. Каким образом осуществляется сдвиг двух напряжений на угол 90° в прямоугольно-координатном компенсаторе?

3. Как рассчитывается измеряемое напряжение при отличии рабочего тока компенсатора от номинального значения?

4. Нарисуйте принципиальную схему прямоугольно-координатного компенсатора.

5. Каково назначение катушки взаимной индуктивности в схеме прямоугольно-координатного компенсатора?

82

6. Как определяется модуль и фаза измеряемого напряжения?

7. Как измеряется ток с помощью компенсатора?

8. Как измеряется комплексное сопротивление компенсатором?

9. Почему результат измерения не зависит от величины рабочего тока при измерении сопротивления по схеме рис. 10.7?

10. Чем объясняется меньшая точность компенсаторов переменного тока в сравнении с компенсаторами постоянного тока?

11. Какова теоретическая основа измерения магнитных величин с помощью компенсатора К-509.

12. Почему описанный метод измерения магнитных величин называют косвенным методом измерения?

13. Почему при измерении взаимной индуктивности по схеме рис. 9.5. результат измерения не зависит от величины рабочего тока?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

Осциллографический метод определения динамических характеристик ферромагнитных материалов

Цель работы:

1. Ознакомление с принципами определения динамических характеристик ферромагнитных материалов.

2. Изучение методов градуировки электронного осциллографа для количественного определения наблюдаемых на экране магнитных характеристик.

3. Снятие динамической петли ферромагнитного образца осциллографическим методом. Общие сведения

Воздействие переменного магнитного поля на материал обуславливает периодическое изменение намагничивающего режима в пределах от некоторого положительного до равного ему отрицательного максимумов. Магнитное состояние материала при этом изменяется по замкнутой петле, которая в отличие от петли гистерезиса (в постоянных полях) называется динамической петлей. Динамические характеристики материала существенно зависят не только от его качества, но и от ряда факторов: от формы и размера образца, от частоты и формы кривой намагничивающего поля, от величины подмагничивания образца постоянным током и т.п. Таким образом, динамическая характеристика по существу является характеристикой образца, а не только материала для

работы в данных конкретных условиях намагничивания (при данной геометрии образца, заданной частоте поля и т.п.).

83

Характер динамической петли определяется не только гистерезисными явлениями, но и влиянием вихревых токов, явлением магнитной вязкости и

другими факторами. Площадь динамической петли определяет полную энергию, рассеиваемую за цикл перемагничивания, то есть потери энергии вследствие действия всех влияющих факторов: гистерезисных явлений, вихревых токов, магнитной вязкости и т.д. Форма динамической петли зависит от амплитуды намагничивающегося поля, и в слабых полях приближается к эллиптической.

В результате нелинейной зависимости В = f (H) индукция и напряженность поля не могут быть одновременно синусоидальными. При синусоидальной индукции напряженность поля несинусоидальна и наоборот. От режима намагничивания (режим синусоидальной индукции или синусоидального поля) зависит форма, а также и размеры динамической петли. Поэтому при испытаниях ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях необходимо оговаривать режим, при котором проводились испытания.

Большинство методов определения динамических характеристик ферромагнитных материалов основано на применении закона электромагнитной индукции:

.

Отсюда следует, что измерению подлежит ЭДС, индуцируемая в измерительной катушке с числом витков . Эта ЭДС (чаще напряжение) может измеряться различными методами. В зависимости от применяемого для этой цели метода и средств измерений можно измерить среднее, действующее или амплитудное значение ЭДС, либо действующее значение первой гармоники.

При использовании вольтметра средних значений исключается зависимость результата измерения от формы кривой, что очень важно, т.к. в большинстве случаев форма кривой искажена и коэффициент формы кривой не известен. Среднее значение ЭДС связано с амплитудным значением потока известным соотношением:

.

При измерении действующего значения ЭДС необходимо подставить в это выражение коэффициент формы кривой, т.е.

.

Наиболее простым способом испытания ферромагнитных материалов в переменных полях является метод амперметра и вольтметра, принципиальная схема которого приведена на рис. 11.1.

84

Рис. 11.1 l_ср

В данном случае напряженность поля определяется по току в намагничивающей обмотке и параметрами обмотки и образца:

[A/м],

а индукция – с помощью измерения вольтметром средних значений напряжения (ЭДС Е_2ср) в измерительной обмотке :

[Тл],

где l_ср – длина средней линии кольцевого образца, S_обр – поперечное сечение образца.

По полученным значениям можно определить амплитудное значение магнитной проницаемости материала образца:

.

Более точным методом определения динамических характеристик ферромагнитных материалов является метод с использованием компенсатора переменного тока для измерения ЭДС Е₂ и намагничивающего тока I₁.

Осциллографический метод испытания ферромагнитных материалов весьма прост и наиболее нагляден. Этот метод позволяет визуально наблюдать и при необходимости фиксировать динамические кривые в весьма широком диапазоне частот. Кроме того, применение этого метода дает возможность исследовать характер влияния различных факторов (например, степени подмагничивания образца постоянным током или изменения режима намагничивания) на форму и размеры динамической петли.

На рис. 11.2 приведена схема для получения динамических характеристик ферромагнитных материалов осциллографическим методом. В схеме предусмотрена возможность перехода от режима синусоидального тока к режиму синусоидальной индукции посредством управления активным сопротивлением намагничивающей (первичной) цепи .

85

Рис. 11.2

При использовании этого метода на отклоняющие пластины осциллографа подаются два напряжения, пропорциональные соответственно напряженности намагничивающего поля H и индукции B. Для получения напряжения, пропорционального напряженности поля H, в цепь намагничивающего тока включено образцовое сопротивление R₀ , с которого падение напряжения, возникающее при протекании намагничивающего тока, подается на горизонтально-отклоняющие пластины осциллографа. Амплитудное значение напряженности поля определяется по формуле:

,

где – амплитудное значение тока первичной обмотки, – число витков первичной обмотки ( = 138); М – взаимная индуктивности катушки (М = 0,1 Гн); l_ср – длина средней магнитной линии образца (l_ср = 46 см).

Для получения напряжения, пропорционального магнитной индукции B, во вторичной обмотке образца включена интегрирующая цепочка R₂С. При выполнении условия  Х_С напряжение на конденсаторе С будет определяться интегралом от входного напряжения: действительно, выражение ЭДС е₂ можно записать так

Если сопротивление существенно больше других сопротивлений этой цепи, то , и можно полагать, что приближенно , откуда

.

86

При этих условиях напряжение, снимаемое с пластин конденсатора, пропорционально индукции в испытуемом образце:

,

где S_обр – поперечное сечение образца, для нашего случая S_обр = 10 см².

Это напряжение подается на вертикально-отклоняющие пластины осциллографа.

Под одновременным воздействием на отклоняющие пластины осциллографа напряжений, пропорциональных H_t и B_t в испытуемом образце, электронный луч опишет кривую гистерезисной петли.

Определив площадь динамической петли, можно определить полные удельные потери на гистерезис и вихревые токи:

,

где S_n – площадь динамической петли, см²; = 7,65 г/см³ – удельная плотность образца; l_в и l_г – амплитуды луча осциллографа по вертикальной и горизонтальной осям, соответственно.

Величину относительной магнитной проницаемости можно определить по формуле

,

где – (Гн/м).

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую схему, показанную на рис. 11.2. Сопротивление реостата в первичной цепи полностью вывести, что будет соответствовать режиму синусоидальной индукции.

2. По амплитудным значениям индукции, указанным в таблице 11.1, вычислить среднее значение ЭДС Е_2ср по формуле

,

где =20 витков; S_обр=10 см²; f = 50 Гц.

3. Устанавливая ЛАТРом по вольтметру средних значений PV₂ рассчитанные значения Е_2ср, записать показания вольтметра средних значений PV₁ в таблицу и зарисовать с экрана осциллографа динамические петли, соответствующие разным значениям индукции. Переключатель осциллографа “синхронизация ” должен находиться в позиции Х. Размер изображения петли на экра-

87

не установить примерно 6х10 кл, используя регулировки вертикального и горизонтального усиления (усиление по оси Y и усиление по оси Х).

4. Замкнув накоротко клеммы k₁ и k₂, убедиться, что это приводит к изменению формы петли и увеличению ее площади, и объяснить причину этого явления. Закоротку снять.

5. Установить переключатель «синхронизация» в позицию «внутрь». При этом блокируется вход Х и на горизонтальные пластины подается напряжение развертки соответствующей частоты (5ms).

6. Установить ЛАТРом по вольтметру PV₂ ЭДС соответствующую индукции В = 0,8 Тл.

7.  Поочередно подсоединяя к зажиму осциллографа «Вход Y» точки 3, 2 и 1, помеченные на схеме рис. 11.2, зарисовать с экрана индукции В = f₁(t), ЭДС е₂ = f₂(t) и намагничивающего тока i₁ = f₃(t). Обратить внимание, что кривая индукции имеет синусоидальную форму, а кривая тока – несинусоидальна.

8.  Установить переключатель реостата примерно на две трети, что соответствует переходу в режим синусоидального намагничивания тока. Увеличить ЛАТРом напряжение так, чтобы размер динамической петли на экране был таким же, как и в предыдущем случае. Убедиться, что при этом режиме динамическая петля имеет ту же форму, что и при режиме синусоидальной индукции.

9. Установив переключателем «синхронизация» – «внутр» развертка 5 ms/дел отрегулировать ЛАТРом напряжение по вольтметру PV₂ соответствующее индукции 0,8 Тл.

10. Действуя в соответствии с указаниями пункта 7, снять кривые В(t), е₂(t), i₁(t). Убедиться, что в этом случае синусоидален ток, а индукция несинусоидальна.

11. Результаты всех замеров и вычислений данных занести в таблицу 11.1                     

11.1. Результаты измерений и вычислений

№№ пп	Вm	Измерено			Вычислено
1.	0,8
2.	1,0
3.	1,2

Отчет должен содержать схему измерений, таблицу с результатами измерений и расчетов и рисунки динамических петель и кривых В(t), е₂(t), i₁(t).

88