9. Măsurarea mărimilor magnetice

Ecuaţia de funcţionare

Asociind (9.23) cu ecuaţia de funcţionare a VEM-ului:  = S_VU se obţine ecuaţia de funcţionare a teslametrului cu bobină:

 = S_VS_sB_V = mB_V; m = S_VS_s (9.24)

Dacă voltmetrul de ieşire este numeric, ecuaţia de funcţionare rămâne aceeaşi, cu deosebirea că mărimea afişabilă nu mai este deviaţia α, ci un număr N ca în (9.20).

Performanţe obişnuite

Game: 2 mT - 2 T; precizie de bază: 2 - 3% dacă VEM este analogic şi 0,5 - 1% dacă VEM este numeric.
9.2.2.3. Teslametre cu ferosondă

Prezintă avantajul că au sensibilitate mult mai mare (gama cea

mai sensibilă coboară până la 10 nT şi uneori chiar mai jos) decât teslametrele cu bobină sau cu sondă Hall, însă au neajunsul că limita superioară a domeniului este foarte coborâtă: 1 mT (10 Gauss). Sunt întâlnite adesea şi sub denumirea de sonde Förster sau sonde saturabile. Se utilizează la măsurarea inducţiei în câmpuri magnetice statice foarte slabe: geofizică, defectoscopie magnetică, magnetocardiografie, în măsurarea câmpurilor magnetice terestre şi extraterestre (sunt instalate pe sateliţi artificiali şi nave cosmice).

a) Ferosonda

În principiu, ferosonda (FS) este alcătuită din două miezuri magnetice de înaltă permeabilitate (tip permalloy), dintr-un material ce ajunge uşor la saturaţie în câmpuri magnetice slabe. Miezurile sunt identice (fig.9.13, a) şi strâns cuplate magnetic. Acestea sunt magnetizate în sensuri opuse, de înfăşurările (n₁), care primesc curentul de magnetizare (I₁) de la un generator (GM), de tensiune convenabilă (U₁) şi o frecvenţă f de ordinul kHz-lor. În jurul ambelor miezuri este prevăzută o înfăşurare secundară (n₂) numită înfăşurare de detecţie.

a) b)
Fig.9.13 Teslametru cu ferosondă: a) ferosondă b) schema de principiu

Funcţionare

În absenţa inducţiei (statice) de măsurat (B), tensiunea (U₂) din înfăşurarea de detecţie (n₂) este zero, deoarece fluxul magnetic rezultant (Ф_r) ce înlănţuie spirele n₂, este zero Ф_r=Ф₁+(-Ф₁)=0. În prezenţa lui B=Ф/S, ≠0 şi deci în n₂, va apărea o tensiune sinusoidală (U₂) de tipul (9.22). Deoarece miezurile intră în saturaţie la valori foarte mici ale lui B (Ф întăreşte pe un Ф₁ şi-l slăbeşte pe – Ф₁ ), curba lui U₂, rezultă deformată, deformare ce cuprinde, în principal, armonica a 2-a (U₂₂). Se poate arăta că amplitudinea acesteia (U_22V ) este proporţională cu inducţia de măsurat (B), relaţia (9.25):

U_22V=S_SB; S_S=const. (9.25)

Unde S_S - reprezintă sensibilitatea. Expresia (9.25) reprezintă ecuaţia de funcţionare a FS.

b) Schema electronică a teslametrului

Una din schemele electronice utilizate la teslametrele cu FS este prezentată în fig.9.13, b. Generatorul de magnetizare (GM) alimentează FS cu tensiunea (U₁) de frecvenţă f (kHz), iar armonica a 2-a (U₂₂) de la ieşirea lui FS este mai întâi filtrată (F) după care este trecută prin blocul de prescriere a gamelor de măsură, DT/A (divizor de tensiune / amplificator), iar în final, este detectată sincron (DSF) şi aplicată milivoltmetrului de ieşire (mV) care dă o deviaţie proporţională cu inducţia de măsurat:

α = S_VS_SB (9.26)

în care S_V este sensibilitatea lui mV.

Tensiunea de referinţă (U_r), cu frecvenţa 2f, este dată tot de către GM. La construcţiile mai vechi U_r este obţinută pe baza lui U₁, cu ajutorul unui dublor de frecvenţă.

Performanţe

Game: 10 nT - 1 mT, precizie: 3 - 5 % dacă mV este analogic şi 1 - 2 % când mV este numeric.

Exemplu de realizare

Teslametrul cu ferosondă DFM-1 construit de Terraflux laşi.

Domenii de măsurare: ± 200 μT, în 3 game, rezoluţie 1 nT.

3. 
   . Determinarea caracteristicilor materialelor magnetice
   

În electronică se utilizează materiale magnetice moi (tole de transformator, ecrane, etc.), materiale magnetice dure (magneţi permanenţi la difuzoare, căşti, aparate de măsură) şi ferite (miezuri de înaltă frecvenţă, magneţi pentru difuzoare, etc.).

9.3.1. Determinări pe tole de transformator

Dintre caracteristicile materialelor magnetic moi, pentru electronică sunt mai importante: curba fundamentală de magnetizare şi ciclul histerezis. De asemenea, prezintă importanţă şi cunoaşterea pierderilor de remagnetizare (pierderile în fier). Aceste măsurări se fac pe probe (eşantioane) tip, iar precizia lor este condiţionată de modul de preparare a acestor probe.

a) Prepararea probelor

Probele din tole feromagnetice se confecţionează sub formă de inel (circular, dreptunghiular) sau sub formă de bară. După decuparea tolelor trebuie efectuată o recoacere (pentru eliminarea tensiunilor interne cauzate de decupare) urmată de izolarea lor cu un lac. Aceste operaţii le face, de regulă, furnizorul.

Înainte de începerea oricăror măsurări, proba trebuie demagnetizată, operaţie ce se poate face atât în c.c. cât şi în c.a. prin diverse metode.
Demagnetizarea probelor în c.a.

Este cea mai simplă şi cea mai răspândită metodă. Schema de principiu este prezentată în fig.9.14, a. Se reglează curentul (I) în înfăşurarea de pe probă astfel ca aceasta să producă o inducţie ceva mai mare decât cea la care s-au efectuat măsurările anterioare (în cazul în care proba este nouă, nivelul inducţiei de la care se începe demagnetizarea se ia 0,5-1T). Se scade curentul (I) treptat (fără salturi) până la zero, astfel ca ciclurile de histerezis succesive să scadă în suprafaţă până la anulare. Dacă proba este sub formă de bară, efectul demagnetizării poate fi controlat uşor introducând (sau scoţând) brusc eşantionul într-o bobină (200 - 500spire) conectată la un fluxmetru. Demagnetizarea probei se poate face şi în c.c., alimentând bobina de demagnetizare prin intermediul unui potenţiometru şi a unui inversor. Cu acesta din urmă se inversează curentul (la o cadenţă convenabilă), iar cu potenţiometrul se reduce valoarea acestuia treptat la zero. Procesul de

demagnetizare este schiţat în fig.9.14, b.




Fig.9.14 Demagnetizarea probelor din tole: a) instalaţie b) procesul de demagnetizare

b) Ridicarea curbei fundamentale de magnetizare

Curba fundamentală de magnetizare (fig.9.15, a) reprezintă locul vârfurilor din cadranul 1, a ciclurilor de histerezis crescătoare de la zero până la o valoare anumită (sau invers). Această curbă este importantă deoarece:

• permite calculul amperspirelor necesare creării unei anumite inducţii într-un miez din materialul respectiv;

• informează asupra nivelului maxim al inducţiei ce poate fi atins la materialul respectiv (inducţia de saturaţie – B_sat) şi deci asupra secţiunii miezului.

Trasarea curbei fundamentale, B(H) se poate realiza cu ajutorul schemei din fig.9.15, b. Măsurarea câmpului (H) se face indirect, prin curentul de magnetizare (I) utilizând relaţia:

(9.27)

î
n care l este lungimea medie a circuitului magnetic. Măsurarea inducţiei (B) se face tot indirect, măsurând t.e.m. U₂ indusă în înfăşurarea n₂ cu ajutorul unui voltmetru electronic de valoare medie (VEM). Aceasta este legată de amplitudinea inducţiei necunoscute (B_v) printr-o relaţie de forma (9.23), adică:

Fig.9.15 a) Curba fundamentală de magnetizare b) instalaţia penlru trasare
(9.28)

în care: (9.29)

reprezintă secţiunea probei de material, unde M este masa, iar d este densitatea acesteia. Se reglează diverse valori pentru I, de la zero până la o valoare de 2-3 ori curentul de saturaţie magnetică (începutul saturaţiei, punctul C, fig.9.16, sesizat prin aceea că U creşte mai lent decât I) şi se calculează valorile H şi B cu ajutorul cărora se trasează curba fundamentală de magnetizare B(H), precum ^-şi curba permeabilităţii absolute μ=B/H (fig.9.16).

Pe curba B(H) se observă o porţiune A-C aproximativ liniară regiune de funcţionare recomandată pentru transformatoarele de semnal, precum şi o porţiune neliniară C-D recomandată pentru transformatoarele de alimentare (neliniaritatea curbei B(H) atenuează influenţa variaţiei tensiunii reţelei asupra tensiunii din secundar).

Curba μ(H) ne informează asupra numărului de amperspire necesare pentru ca miezul respectiv să lucreze în zona de maxim (μ_max ) a permeabilităţii.




Fig.9.16 Curba fundamentală de magnetizare Fig.9.17 Parametrii de bază ai

şi cea a permeabilităţii ciclului histerezis

c) Ridicarea ciclului de histerezis

Importanţa practică a ciclului de histerezis (fig. 9.17) rezidă în aceea că, pe acesta se pot determina trei parametri importanţi pentru utilizarea feromagneticelor: inducţia remanentă (B_r), câmpul coercitiv (H_c) şi suprafaţa ciclului (S_H). Primii doi interesează mai mult la exploatarea magneţilor permanenţi (energia înmagazinată este proporţională cu produsul B_r H_c ), iar ultimul la exploatarea miezurilor din tole (pierderile prin histerezis sunt proporţionale cu S_H ). În plus, dintr-o succesiune de cicluri crescătoare se poate determina curba fundamentală de magnetizare (fig.9.15, a) a cărei importanţă pentru utilizarea corectă a tolelor de transformator a fost deja menţionată.

Cea mai utilizată metodă de ridicare a ciclului de histerezis dinamic este cea bazată pe osciloscopul catodic (fig.9.18). Pe rezistenţa de precizie R₁ (0,1-1Ω) se culege o tensiune proporţională cu câmpul în probă: (9.30)

care se aplică pe plăcile X ale OC, iar la bornele condensatorului C se culege o tensiune proporţională cu valoarea instantanee a inducţiei în probă:

U₂=k₂B; (9.31)

care se aplică pe plăcile Y. Ca rezultat, pe ecranul OC va apărea ciclul histerezis.

S_H

U₂

Fig.9.18 Vizualizarea ciclului de histerezis pe osciloscop
Integratorul pasiv RC, funcţionează la fel ca şi cel activ (fig.9.7, b), dacă este îndeplinită condiţia: R >>1/ωC, şi deci rămâne valabilă relaţia (9.17) din care decurge şi (9.31).

Observaţii:

1. Există aparate la care curentul de magnetizare este dat de un bloc din interiorul OC, iar înfăşurările n₁ şi n₂ sunt înglobate într-o singură geometrie tubulară electroizolantă în care poate fi introdusă o probă de mici dimensiuni 2-3 tole format I sau pachet mic de sârme. Asemenea OC specializate poartă numele de ferotestere. Acestea au marele avantaj că permit încercarea tolelor chiar în forma finală dată de furnizor şi deci fără consum de material, însă sunt aparate relativ scumpe.

2. Dacă se calibrează axele ecranului în unităţi de câmp, respectiv inducţie, se poate trasa comod curba fundamentală de magnetizare a probei, prin unirea vârfurilor ciclurilor crescătoare din cadranul 1 (fig.9.15, a).

d) Determinarea pierderilor în fier

Pierderile în fier (pierderile prin histerezis şi cele prin curenţi Foucault) se exprimă în W/kg, pentru o inducţie şi o frecvenţă specificate; de exemplu: 3 W/kg la 1 T şi 50 Hz. Acest parametru de material este important a fi cunoscut la proiectarea transformatoarelor din blocurile de alimentare ale echipamentelor electronice, deoarece pierderile în fier se transformă în căldură, care trebuie evacuată (la transformatoarele şi maşinile de mare putere P_f prezintă un plus de importanţă deoarece condiţionează randamentul acestora). Cea mai utilizată metodă pentru determinarea pierderilor în fier la 50 Hz ( P_f) este metoda Epstein.