ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ. НЕКОТОРЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИИ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

§ 1. МЕТОД ПЕРМЕАМЕТРА

В лабораторной практике и в особенности в заводских условиях часто приходится исследовать стандартные образцы различной формы и в большом количестве с целью определения кривой намагничивания и петли гистерезиса. При этом необходимо иметь аппараты, допускающие быструю смену образцов и обеспечивающие минимальную затрату времени на выполнение измерений или испытаний.

Пермеаметр Гопкинсона. Метод ярма впервые был предложен Гопкинсоном [14]. Он состоит в том, что исследуемый образец замыкается по концам ярмом-рамой, сделанной из магнитомягкого материала, при этом образуется замкнутая магнитная цепь. Основными частями прибора являются ярмо, намагничивающая катушка и устройство для определения напряженности магнитного поля и индукции.

Схематическое устройство пермеаметра показано на рис. 82.

Известно, что величина магнитного потока для замкнутой цепи равна

где общее магнитное сопротивление цепи (ом), сила тока в намагничивающей цепи и — число витков в намагничивающей обмотке.

Магнитная цепь пермеаметра состоит из четырех участков. Первый участок представляет собой часть образца сечением и длиной Второй участок магнитной цепи, длина которого равна находится между концом катушки и внутренними стенками ярма. Третий участок представляет собой воздушный зазор с толщиной и площадью сечения между образцом и ярмом. Последний

участок состоит из ярма длиной с сечением и магнитной проницаемостью Тогда выражение (12.1) можно записать так:

Из формулы (12.2) получим

Разлагая в ряд выражение (12.3) и ограничиваясь членами первой степени, найдем

Ввиду того что выражение, стоящее перед квадратными скобками, есть напряженность магнитного поля бесконечно длинного соленоида, соотношение (12.4) окончательно можно записать в виде

где

Как видно из последнего соотношения, намагничивающая обмотка должна полностью покрывать ту часть образца, которая находится вне ярма Кроме того, воздушный зазор между образцом и ярмом должен по возможности быть доведен до минимума и магнитная проницаемость ярма должна быть достаточно большой (в пределе ). При создании различных типов пермеаметров стараются по возможности приблизиться к этим условиям. Расхождение между действительным полем и полем будет зависеть как от конструкции аппарата, так и от магнитных свойств материала ярма и образца.

Пермеаметр электродинамического типа. Пермеаметр работает по принципу обычного магнитоэлектрического прибора. Отличие состоит в том, что в пермеаметре постоянный магнит заменен исследуемым образом с намагничивающей обмоткой [15]. Устройство электродинамического пермеаметра показано на рис. 83. Ярмо пермеаметра делают из железа «армко». Для намагничивания образца О имеется намагничивающая обмотка с которой последовательно соединены обмотки дополнительных катушек Рассмотрим, какую роль выполняют эти катушки. Магнитный

поток, создаваемый в воздушном зазоре пермеаметра, где находится подвижная катушка должен быть пропорционален магнитному потоку индукции в центральной части образца. Магнитный поток образца, замыкающийся через ярмо, складывается из потока, создаваемого магнитной индукцией самого образца и потоком поля намагничивающей обмотки.

Рис. 82. Схематическое устройство пермеаметра с ярмом: Я— ярмо, намагничивающая катушка, — измерительная катушка для определения индукции в образце, О — образец

Рис. 83. Схематическое устройство пермеаметра электродинамического типа: О — исследуемый образец, Я — ярмо, дополнительные обмотки, намагничивающая обмотка, подвижная катушка

Так как вторая часть потока непропорциональна индукции образца, то и результирующий поток в воздушном зазоре ярма не будет ей пропорционален. Дополнительные обмотки компенсируют магнитный поток, создаваемый намагничивающей катушкой, и тем самым создают указанную выше пропорциональность. Обмотки соединяются последовательно с намагничивающей катушкой и наматываются на ярмо таким образом, что они намагничивают его в направлении, противоположном намагничиванию ярма обмоткой При этом число витков этих обмоток подбирают таким образом, что в отсутствие образца при максимальном значении тока через намагничивающую подвижная катушка не отклоняется.

Применение обмоток дает возможность получить пропорциональность между магнитным потоком индукции в образце и потоком в воздушном зазоре с точностью до 3%. Чтобы удобнее было производить расчет намагничивающего поля, обмотку намагничивающей катушки подбирают с таким числом витков, чтобы постоянная катушка была равна Тогда магнитное поле катушки определяется по формуле

где ток в катушке

Ярмо имеет разрез, в который помещена подвижная рамка. Через эту рамку пропускают постоянный ток, величина которого во время испытания одного образца не должна изменяться. С осью рамки жестко скреплена стрелка, с помощью которой производится отсчет магнитной индукции по шкале. Вращающий момент, действующий на рамку со стороны магнитного поля, будет пропорционален магнитному потоку, который пронизывает площадь рамки, и силе тока, протекающего через витки обмотки рамки. Противодействующий момент создается при помощи двух пружин, изготовленных из бериллиевой бронзы. Эти пружины выполняют также роль токоподводящих проводов. Исследуемый образец вставляют в отверстие ярма и зажимают латунными винтами; это обеспечивает надежный магнитный контакт между образцом и ярмом. При пропускании тока через обйотку подвижной рамки, находящейся в магнитном поле, возникает вращающий момент, который поворачивает рамку. Этот момент пропорционален силе тока и магнитному потоку в зазоре

где магнитный поток в зазоре ярма, — некоторая постоянная.

При отклонении рамки на некоторый угол а момент уравновешивается противодействующим моментом пружины который определяется из соотношения

где упругая постоянная пружины.

В момент равновесия рамки эти моменты равны. Тогда из соотношений (12.7) и (12.8) получим

Так как то получаем

где

S - площадь поперечного сечения образца.

Таким образом, отклонение подвижной рамки пермеаметра пропорционально индукции образца. Произведение силы тока в подвижной рамке на сечение образца должно быть величиной постоянной, т. е.

Градуировка пермеаметра осуществляется по образцу, для которого известна кривая намагничивания. При этом определяют величину являющуюся постоянной прибора. Постоянная К для наиболее распространенных приборов электродинамического

типа подбирается так, что наибольшее отклонение подвижной части соответствует индукции образца в В этом случае и величину силы тока в рамке пермеаметра определяют из соотношения

Пермеаметры описываемого типа позволяют исследовать образцы цилиндрической формы диаметром и длиной а также прямолинейные стержни квадратного сечения размером

Если нужно исследовать листовой материал, то из него вырезают полоски шириной из которых складывают пакет высотой также в Перед исследованием образца любой формы нужно точно определить его поперечное сечение, после чего по формуле (12.11) определяют ток в подвижной катушке. Прежде чем начинать измерения, пермеаметр устанавливают таким образом, чтобы горизонтальная составляющая земного магнитного поля не влияла на показание прибора. Это условие выполняется в том случае, если плоскость подвижной катушки располагается перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. Чтобы этого достичь, в цепи подвижной катушки при помощи реостата устанавливают определенную силу тока и осуществляют коммутацию при помощи ключа Если стрелка пермеаметра не отклоняется, то аппарат установлен правильно. При отклонении стрелки необходимо повернуть аппарат в горизонтальной плоскости вокруг своей оси и повторять ту же самую операцию до тех пор, пока стрелка прибора при переключении тока не будет оставаться в покое.

При установке прибора в правильное положение намагничивающая цепь должна быть разомкнута и образец вынут из прибора. После этого исследуемый образец помещают в пермеаметр и зажимают винтами. Если стрелка прибора при этом отклонится, то нужно образец размагнитить. Только после этого приступают к определению основной кривой намагничивания и петли гистерезиса, при этом реостаты полностью включаются. Увеличивая силу тока в намагничивающей катушке с помощью реостатов определяют значение индукции и величину силы тока. После получения максимального значения индукции приступают к определению петли гистерезиса.

Прежде чем начать измерения координат точек петли, следует провести магнитную подготовку образца. Для этого нужно несколько раз пройти полный гистерезисный цикл, не делая отсчетов. Затем возвращаются опять в состояние, соответствующее максимальному значению индукции, уменьшают на некоторую величину силу тока в намагничивающей обмотке и таким образом получают значение индукции при напряженности магнитного поля После этого снова уменьшают силу тока и получают вторую точку на кривой индукции, соответствующую значению поля Таким

образом определяют все точки верхней части нисходящей ветви гистерезисного цикла, расположенной в первом квадранте. Последняя точка этого участка кривой получается при разомкнутой цепи намагничивающей обмотки. Значение магнитной индукции при этом положении будет соответствовать остаточной индукции образца После этого меняют направление тока в намагничивающей цепи, причем реостаты должны быть полностью введены, что соответствует наименьшей силе тока в намагничивающей цепи. Делая отсчет индукции и силы тока, определяют первую точку во втором квадранте нисходящей ветви цикла. Затем, постепенно увеличивая напряженность магнитного поля, определяют все остальные точки этой ветви вплоть до максимального значения индукции. Точки восходящей ветви находят аналогичным образом. Погрешность измерения на пермеаметре электродинамического типа обычно составляет 5—7%.

Однако в приборе, описанном в [1], ошибка измерения не превышает Этот прибор используют для измерения остаточной индукции и коэрцитивной силы магнитожестких материалов.

Пермеаметр с двойным ярмом. На рис. 84 (показана конструкция пермеаметра с двумя намагничивающими катушками и двойным ярмом. В этом пермеаметре значительно уменьшено влияние воздушного зазора между ярмом и образцом. Из исследуемого материала изготовляют два стержня В, которые соединяются между собой посредством двух кусков ярма образуя тем самым замкнутую магнитную цепь. На образцы наматывают намагничивающие обмотки соединенные между собой последовательно. На одном из образцов находится также измерительная обмотка К, которая соединяется с гальванометром. Измерительную обмотку можно также поместить между намагничивающей катушкой и подвижной частью ярма. Определяют зависимость магнитного потока от величины магнитодвижущей силы когда подвижное ярмо находится в положении 1. После этого увеличивают длину магнитной цепи на некоторую величину передвигая ярмо С на длину (положение 2), и опять определяют зависимость Поделив разность магнитодвижущей силы при одном и том же значении магнитного потока на длину определяют соответствующее значение напряженности магнитного поля. Данному значению магнитодвижущей силы будет соответствовать определенный магнитный поток. Разделив значение этого потока на площадь сечения образца, получим магнитную индукцию.

В пермеаметре, описанном в работе [3], есть компенсационные обмотки, которые соединены между собой последовательно и расположены на намагничивающей катушке на стыках ярма с исследуемым образцом. Эти обмотки компенсируют магнитное сопротивление ярма и стыков ярма с образцами.

Измерение производят методом сравнения измеряемого образца с эталоном, для которого известна кривая намагничивания.

Пермеаметр с симметричным двойным ярмом [5] состоит из

двух половинок одинаковой формы и размеров (8X8 см). Принципиальная схема пермеаметра показана на рис. 85. Ярмо выполняется из листовой электротехнической стали, причем на каждой половине находятся по две намагничивающие катушки по тысячи витков каждая. К цепи намагничивающих катушек относятся источник питания амперметр сопротивления и переключатель Эти катушки создают магнитный поток одного направления.

Рис. 84. Принципиальная схема пермеаметра с двойным ярмом и переменным сопротивлением магнитной цепи: В — стержни из исследуемого материала, намагничивающие обмотки, К — измерительная обмотка, две половины ярма

Рис. 85. Схематическое устройство пермеаметра с двойным симметричным ярмом: О — образец, Я — ярмо, намагничивающие обмотки, вращающая катушка, измеритель напряженности магнитного поля, средняя часть ярма

Через намагничивающие катушки пермеаметра пропускают ток до 6 а. При этом напряженность магнитного поля в рабочем пространстве пермеаметра может быть получена до Измерение индукции образца О производится при помощи вращающейся рамки которая помещена в зазоре Силу тока во вращающейся рамке регулируют амперметром и сопротивлением В одном из зазоров пермеаметра располагается измеритель напряженности магнитного поля а в другом — исследуемый образец в виде стержня. Образец для такого пермеаметра может иметь длину от 3 до 12 см при сечении Использование образцов разных размеров возможно потому, что половинки ярма легко раздвигаются. Когда включают ток в намагничивающие катушки, то в средней части ярма без образца отсутствует магнитный поток, так как магнитное сопротивление обеих половин ярма одинаково; при этом подвижная рамка прибора находится в покое. При помещении образца в ярмо эта симметрия нарушается, так как возникает дополнительный магнитный поток от образца. Поток в основном замыкается в средней части, где имеется подвижная рамка. По отклонению последней оценивают величину дополнительного магнитного потока, возникающего после внесения исследуемого образца в магнитную цепь пермеаметра.

Перед началом измерения прибор градуируют баллистическим методом.

Еели рассчитать распределение магнитного потока в ярме, то получится соотношение

где i - ток в подвижной рамке, В — магнитная индукция образца, сечение образца, I — длина образца, постоянные пермеаметра и а — отклонение подвижной рамки.

Ток в подвижной катушке подбирают таким образом, чтобы выполнялось соотношение

В этом случае отклонение подвижной части прибора пропорционально намагниченности образца. Определение постоянных пермеаметра проводят баллистическим методом. Для этого берут два образца из одного И того же материала, но разной длины.

Перед началом измерения пермеаметр располагают таким образом, чтобы длинная ось зазоров была перпендикулярна горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. После этого ярмо устанавливают симметрично. Это будет в том случае, когда подвижная катушка пермеаметра при отсутствии образца в нем не отклоняется от положения равновесия. Затем помещают образец в пермеаметр и намагничивают его до насыщения, после чего уменьшают ток в намагничивающей цепи до тех пор, пока стрелка прибора в цепи измерительного генератора не вернется в нулевое положение. Полученное в этот момент отклонение подвижной части прибора соответствует величине остаточной намагниченности Затем уменьшают ток до нуля и изменяют его направление. Увеличивая опять ток в намагничивающей цепи, находят зависимость намагниченности образца от напряженности магнитного поля во второй четверти гистерезисного цикла. Значение коэрцитивной силы определяют в тот момент, когда подвижная система находится в нулевом положении. Погрешность измерения на пермеаметре с двойным симметричным ярмом составляет 3%. Применяется этот пермеаметр для измерения магнитных характеристик высококоэрцитивных сплавов.

Для испытания магнитомягких материалов в более однородном магнитном поле используют пермеаметр Бурровса [1], состоящий из двух последовательно соединенных намагничивающих катушек, на концах которых имеется по две пары компенсационных катушек и два ярма. В этом пермеаметре дифференциальным методом испытывают два образца — один является эталонным с известными магнитными характеристиками, а другой — испытуемым.

Измерительные катушки расположены в средней части образцов и их включают встречно друг к другу через баллистический гальванометр. Один из недостатков этого пермеаметра заключается в том, что образцы должны быть одного и того же размера. В другой разновидности пермеаметров [1] намагничивающая катушка охватывает не исследуемый образец, а ярмо.

Ми и Стрит [16] создали усовершенствованный пермеаметр, дающий возможность проводить быстрые испытания магнитомягких материалов в слабых полях. В этом пермеаметре вместо баллистического гальванометра поставлен измеритель поля. Это усовершенствование значительно повышает чувствительность прибора.

Для быстрого контроля ферромагнитных материалов удобен радиочастотный пермеаметр, описанный в работе [17]. Он состоит из отрезка коаксиальной линии, внутри которой находятся два тороида. Один из тороидов исследуемый, а на втором располагается измерительная обмотка. Изменение магнитного потока в пространстве, где расположен образец, приводит к изменению входного сопротивления измерительной обмотки. Зная изменение этого сопротивления, определяют комплексную магнитную проницаемость исследуемого образца. Устройство пермеаметра позволяет проводить температурные измерения. Пермеаметры для измерения магнитной проницаемости в переменных полях высокой частоты (в области радиочастот) описаны также в работе [18].