Instalatie de trasat ciclul de histrezis pentru materiale magnetice cu inalta sau joasa permeabilitate

Instalatie de trasat ciclul de histrezis pentru materiale magnetice cu inalta sau joasa permeabilitate

Este descris un aranjament simplu de trasare a ciclului de histerezis la 6o Hz pentru matriale magnetice cu inalta sau joasa permeabilitate. Prin includerea unei forme diferentiale a unui control de compensare, toate tensiunile de 60 Hz prezente in interlinii si bobinele sonda anterior inserarii probei magnetice in bobinele magnetizante, pot fi complet compensate. Sensibilitatea este suficienta pentru a asigura o deflexie de la varf la varf pe un osciloscop catodic de un inch pentru o variatie a fluxului de un maxwell.

Introducere

Instrumentul ce va fi descris este o forma simpla, dar stabila a unui BH-metru descris de Wiegan and Hanson, si, Crittenden, Smith si Olson. Versatilitatea sa permite utilizarea permanenta a instalatiei in laborator si la analize de rutina a probelor mici magnetice. Poate fi utilizat, de asemenea, ca o parte a unui echipament de instructie.

In mod esential, instrumentul difera de la forma uzuala, prin faptul ca cele doua bobine magnetizante sunt folosite impreuna printr-un nou control de compensare. Ultima este obtinuta prin introducerea a doua bobine, conectate in faza opozitie, in campul magnetic neuniform al bobinei primare. Luandu-se in considerare si cele doua bobine de faza independente dispuse pe partea exterioara a bobinelor magnetizante , se permite compensarea completa, in faza si amplitudine, a tuturor tensiunilor de 60 Hz prezente in interlinii si bobinele sonda, inainte inserarii probei magnetice in interiorul unei bobine magnetizante.

Sistemul a fost proiectat pentru folosirea unor probe lungi cu diametrul de 6,4 mm, ca fire metalice sau benzi de inregistrare magnetica. Sensibilitatea este suficienta pentru a asigura o deflexie de la varf la varf pe un osciloscop catodic, de 2,5 mm, pentru o variatie a fluxului de un maxwell. Aceasta corespunde unei probe cu sectiunea transversala de 10 cm² , o inductie de saturatie de 0,16 T. O sensibilitate mai mare poate fi realizata prin introducerea unor etaje suplimentare de castig in preamplficator.

Schema circuitului este prezentata in Fig. 1. Bobinele magnetizante introduc tensiuni in bobinele sonda situate in campul uniform a bobinelor magnetizante . Datorita conectarii in antifaza a bobinelor sonda, aceste tensiuni sunt aproape egale si opuse in marime si faza, deci aproape se anuleaza. Compensarea completa in faza se realizeaza prin variatia unei rezistente , care controleaza unghiul de faza dintre curent si tensiune ce parcurg . Egalitatea in amplitudine nu a fost obtinuta.

In schimb, o tensiune mica variabila, a carei faza poate fi in oricare din cele doua directii, este introdusa prin bobinele de compensare . Astfel, orice pierdere in faza sau tensiune indusa de oriunde in sistem, este complet compensata prin introducerea unui avans de faza sau a unei tensiuni opuse de si . Ajustarea diferentiala a acestor compensari rezulta in absenta completa a unei tensiuni de iesire a preamplificatorului., cand proba magnetica nu este introdusa in una din bobinele magnetizante .

Introducerea probei magnetice in una din bobinele sonda cauzeaza o tensiune proportionala cu rata de variatie a inductiei intrinseci ce apare in jurul bobinei, fiind transmisa la preamplificator. Dupa integrare, o tensiune proportionala cu este culeasa de axa y a osciloscopului. Aceasta tensiune in legatura cu o tensiune proportionala cu campul de excitatie si deci cu campul magnetizant al bobinei culeasa pe axa x a osciloscopului, determina ciclul de histerezis a probei magnetice.

Datorita usurintei cu care tensiunile induse de campurile parazite pot fi anulate, nu este necesara o ecranare. In interesul simplitatii, nu au fost incluse masuri speciale de racire a bobinelor magnetizante. Campurile mai mari de 80kA/m vor cauza o supraincalzire a bobinelor magnetizante in 20 min. Efectul supraincalzirii, facand abstractie de deteriorarea bobinelor, poate schimba parametrii magnetici ai probei. Oricum, asigurarea unor alternante intre masuratorile la campuri mari si cele la campuri mici, va determina o crestere a temperaturii de doar cateva grade in timpul unor serii complete de citiri. Pentru a facilita constructia si manipulare aranjamentului, sunt descrise si parametrii de constructie impreuna cu instructiunile de operare.

CONSTRUCTIA SISTEMULUI

1. Bobinele magnetizante ()

Bobinele magnetizante constau in 1500 de infasurari, din fir de cupru izolat cu diametrul de 14 gauge, cu diametrul interior de cm si cel exterior de cm, cu lungimea de cm. Infasurarile sunt bobinate pe un tub de plastic cu diametrul interior de 1,69 cm, cu flanse patrate. Datorita posibilitatii generarii unei supraincalziri au fost folosite tevi din plastic stabile termic. Pe parte exterioara a bobinelor magnetizante au fost dispuse bobinele de faza formate din 22 de spire de cupru izolate de 14 gauge. Aceste bobine sunt scurtcircuitate de rezistentele variabile .

2. Bobinele sonda (

Fiecare bobina, cu diametrul interior de cm, cel exterior cm, lungime cm, a fost bobinata pe un tub de sticla cu diametrul interior de 0,79 cm, avand 10000 de spire de cupru 42 gauge. Aceste bobine au fost montate in centrul bobinelor magnetizante si delimitate la capete de flanse din plastic. Folosind notatia lui Wiegand si Hanson, campul in cntul fiecarei bobine, in Oersted, este:

(1)

unde ,

valoarea instantanee a curentului in amperi,

spire per cm

Pentru bobina mentionata, , deci . In consecinta, pentru a avea un camp magnetizant de 80 kA/m este necesar un curent de 10 A.

3. Bobinele de calibrare a campului ()

Pentru o bobina cu inductanta mutuala parcurs de un curent de varf in primar , tensiunea eficace in secundar , unde este pulsatia campului. Campul de varf al bobinei magnetizante este pentru un curent de varf in primar , unde . Deci pentru o bobina cu valoare eficace , valoare necesara a inductantei va fi mH. O bobina de 110 spire de cupru 14 gauge infasurate pe un tub de plastic cu diametrul exterior cm, cu lungime cm, impreuna cu o bobina secundara cu 50000 de spire de cupru 42 gauge, infasurata pe o lungime cm pe un miez inelar cu diametrul exterior cm, realizeaza inductanta mutuala necesara. Bobina poate fi ajustata la aceasta valoare prin observarea valorii tensiunii (14,5 V rms) in sectiunea bobinei secundare pentru un curent standard in primar (1 A rms).Campul de varf in bobinele magnetizante, in Oersted, este de 10 ori valoarea tensiunii eficace in bobina secundara .

4. Bobinele de calibrare a inductiei ()

Tensiunea indusa in bobina sonda cu N spire de o proba cu sectiunea transversala A (cm²) si inductia intrinseca este . Dupa integrare deflexia pe verticala a osciloscopului este:

. (2)

Acum vom introduce tensiunea de calibrare din secundarul bobinei de calibrare a inductantei mutuale , pentru un curent in primar

, (3)

si, intrucat , deflexia maxima verticala a osciloscopului produsa prin aceasta tensiune de calibrare va fi

, (4)

unde in timpul procesului de calibrare. Deci, este inductia intrinseca care va produce aceeasi deflexie pe verticala a osciloscopului ca fiind produsa de tensiunea de calibrare ,

si deci,

.

Daca realizam pentru materiale cu permeabilitate mica, si pentru materiale cu permeabilitate mare, atunci pentru materiale cu permeabilitate ridicata, avem:

sau . (5)

Un primar cu 85 spire de cupru 14 gauge, infasurate un miez cu diametrul exterior cm si lungime, cm, si un secundar de 2000 de spire de cupru 42 gauge, infasurate pe un miez cu diametrul exterior si lungime , este realizata pentru inductanta mutuala necesara. Bobina poate fi ajustata la valoarea inductantei mutuale anterioare in acelasi mod sau prin scoaterea unor spire din primar sau secundar si observarea tensiunii in secundar (0,962 V rms) pentru un curent standard de (1 A rms) in primar. Pentru materiale cu permeabilitati joase, un divizor de tensiune 100:1 este plasat la marginea bobinei secundare.

5. Bobinele de compensare ()

Bobinele constau fiecare, in 40 de spire de cupru 14 gauge infasurate pe un miez cu diametrul exterior cm si lungime si servesc ca infasurare primara. Secundarul in doua infasurari identic plasate injuxtapunere si conectate in serie-opozitie. Fiecare infasurare este compusa din 1000 de spire d ecupru 42 gauge dispuse pe un miez solid cu diametrul extrior si lungime cm. Secundarul poate fi deplasat fin in intriorul primarului pentru compensarea tensiunii gnerate in jurul perechii de bobine.

AMPLIFICATORUL SI CIRCUITUL DE INTEGRARE

Aceasta parte a circuitului este destul de conventionala. S a incercat reducerea zgomotului si realizarea unei constante de timp optime. Este descris in intregime de Wiegand si Hanson.

MODUL DE OPERARE

A.     Reglarea bobinelor de compensare (Fara proba in camp)

Se seteaza campul magnetizant H la valoarea necesara, castig maxim pe verticala, si castig pe orizontala a.i. sa avem o linie de 5 cm.

Se ajusteaza pana cand pe osciloscop apare o elipsa plata, cu axa mare orizontala.

Se inchide elipsa, a.i. sa avem o linie orizontala prin ajustarea rezistentei .

Se repeta operatiile (2) si (3) pana cand se obtine o linie orizontala.

B.     Ajustarea fazei (Fara proba in camp)

Se seteaza selectorul in pozitia de joasa sau inalta permeabilitate, in acord cu permeabilitatea probei ce urmeaza sa fie masurata.

Se seteaza castigul a.i. sa avem 5 cm pe orizontala si se ajusteaza castigul vertical din preamplificator si al osciloscopului pana obtinem o linie de . Daca avem o elipsa, se ajusteaza faza prin variatia rezistentei al integratorului pana cand o singura linie de este obtinuta.

O data obtinuta, setarea compensarii necesita foarte mici ajustari pentru diferite valori ale campului. O mica miscare a rezistentei si a bobinei este, de obicei, suficienta pentru realizarea compensarii la diferite valorii ale campului.

C.     Calibrare scalelor H si (cu sau fara proba)

Intotdeauna, valoarea campului este unde este valoarea exprimata in volti, si in Oersted. Se ajusteaza pe orizontala castigul pana cand se obtine o deflexie . Deci, valoarea campului H este liniar pe x si .

D.    Calibrarea lui (Fara proba in camp)

Cu un curent setat pentru producerea campului , se selecteaza selectorul la inalta sau joasa permeabilitate.

Se ajusteaza castigul pe verticala pentru o deflexie convenabila, de obicei 6, 5 cm, si se observa valoarea de deflexie, . Aceasta deflexie corespunde unei valori a lui unde pe calibrarea inalta si pentru cea joasa. este valoarea intrinseca a inductiei a probei cu sectiunea transversala A (cm²) care ar produce aceeasi deflexie . Acum unde este deflexia corespunzatoare lui a probei in campul bobinei. Deci, pt valori inalte ale permeabilitatii

a.       i. fiecare punct de pe osciloscop are o valoare masurabila a lui ce corespunde unei marimi a campului H.

Masurarea campului coercitiv si a inductiei remanente

Se seteaza ciclul de histrezis al probei la o marime convenabila, dupa echilibrarea sistemului, prin ajustarea compensarilor. Se observa deflexia varf la varf a osciloscopului ce orespunde la x=0 () si y=0 ().

Se scoate proba si se lasa controalele setate.

Se ajusteaza campul magnetic pana cand linia orizontala este egala cu deflexia observata pentru . Aceasta valoare a lui H reprezinta campul coercitiv al probei, , unde .

Se comuta in una din pozitiile de calibrare si cu castigul orizontal la 0, se ajusteaza campul magnetizant pana cand deflexia verticala este egala cu deflexia observata la . Se observa deci, valoarea campului necesar, . Obtinem valoarea inductiei rezultante, prin substituirea valorii lui si a sectiunii probei A in relatia pe pozitia de inalta permeabilitate. Valoarea lui este valoarea inductiei remanente a probei.

Pentru obtinerea valorii maxime a inductiei intrinseci ()

Se reduce castigul orizontal la 0 si se ajusteaza castigul vertical pentru a avea o deflexie convenabila a lungimii. Se noteaza .

Se scoate proba. Se comuta pe pozitia de joasa sau inalta permeabilitate si se ajusteaza campul magnetizant astfel incat sa avem aceeasi deflexie pe verticala. Se substituie valoarea lui astfel obtinuta in relatiile ce dau valoarea lui . Aceasta valoare a lui este egala cu , valoarea inductiei maxime intrinseci asociata lui . Campul coercitiv poate fi obtinut prin observarea sau fotografierea ciclului de histerezis saturat si evaluarea lui din relatia pentru .O fotografie tipica a ciclului de histerezis normal al unei benzi de inregistrare magnetica este aratata in Fig. 3. O serie de rezultate tipice sunt descrise in Fig. 4. Proba a fost o banda de inregistrare cu oxid de fier standard lata de 0,64 cm.