Устройство для измерения составляющих комплексной магнитной проницаемости материала Советский патент 1983 года по МПК G01R33/12 

00

о vl

со Изобретение относится к магнитным иэмерени71м и может быть использовано для определения составляющих комплек ной магнитной проницаемости. Известно устройство для измерения обратимой магнитной проницаемости на переменном токе, содержащее амплитуд ные детекторы, усилители, аналоговый делительный блок и катушку взаимной индуктивности 1. Однако известное устройство обеспечивает определение только обратимой составляющей магнитной проницаемости и не позволяет определять вторую соста ляющую, связанную с магнитными потерям т.е. необратимыми процессами. Наибсэлее близким к предлагаемому по технической сущности является уст .ройство для определения составляющих |Комплексной магнитной проницаемости содержащее генератор, магнитный компаратор, резистор, конденсатор, вольтметр и индикатор напряжения 2 I Благодаря тому, что составляющая дх, комплексной магнитной проницаемое . где j V, зависит только от частоты перемагничивания и; и емкости конденсатора С по формуле где К - постоянная величина, результат измерения составляющих fjL И 1л,2 комплексной магнитной прони цаемости слабо зависит от остаточной ре ак тив нос ти ре з ис торов. Однако при определении проницаемости образцов малых размеров емкост С- должна быть очень большой, так как индуктивность объекта испытаний невелика. Конденсаторы большой емкос ти могут быть использованы лишь при сравнительно низких частотах из-за значительной частотной погрешности, вносимой индуктивностью подводящих проводников конденсаторов. Так, конденсаторы емкостью 1 мкФ могут использоваться при частотах не более 3-10 кГц, в то время как для определения /и, у малых образцов при частотах порядка 50 - 100 кГц требуется емкость 5-10 мкФ. Кроме того, потери в конденсаторе вносят значительную погрешность при измерении так как определяемой величиной является сумма тангенсов углов потерь образца и конденсатора V где tgcf - тангенс угла потерь образца;tgcf - угол потерь конденсатораKj - постоянная величина, При сГ(, 0,01 ,001 погрешность измерения 10%. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, iTo в устройство для измерения составляющих комплексной магнитной проницаемости материала, содерксащее последовательно соединенные генератор переменного тока и первый резистор, намагничивающую обмотку, подключенную к выходу генератора, регистрирующий прибор, а также измерительную обмотку, второй резистор, конденсатор и индикатор, введены переключатель, катушка взаимной индуктивности, четырехполюсник, один вход которого соединен & первым резистором через одну пару неподвижных контактов переключателя, другой, .вход - с генератором, один выход - с общей шиной и индикатором, другой через другую пару неподвижных контактов переключателя с измерительной обмоткой и непосредственно с резистором и конденсатором, (одна пара подвижных контактов переключателя соединена с намагничивающей и измерительной обмотками, а другая - с обмотками катушки взаимной индуктивности. Кроме того, четырехполюсник выполнен в виде параллельно соединенных не менее четырех входных конденсаторов , выходного конденсатора переменной емкости, проходного,конденсатора и резистора, связанных через переключатель с его входами и выходами. На фиг. 1 представлена функциошальная схема предлагаемого устройства ; на фиг, 2 - схема четырехполюсника. Устройство (фиг, 1) содержит ге-. нератор 1 переменного напряжения, вольтметр 2, первый резистор 3, переключатель 4, испытуемый образец 5 с намагничивающей 6 и измерительной 7 обмотками, катушку 8 взаимной индуктивности, конденсатор 9, второй резистор 10, четырехпсэлюсник 11 и индикатор 12 напряжения. Четырехполюсник 11 (фиг. 2) содержит по крайней мере 4 конденсатора 13 - 16, выходной конденсатор 17, проходной конденсатор 18, переключа,тели 19 - 21 и резистор 22. Один из входных вводов четырехполюсника 11 соединен с выходным, что позволяет одновременно заземлить генератор и индикатор и уменьшить емкостные утечки в цепи последнего. Устройство,работает следующим образом. Переменный ток генератора 1 протекает через первый резистор 3, намагничивающую обмотку 6 (при положении 1 переключателя 4) и четырехполюсник 11. Напряжение на измерительной

обмотке 7 образца 5 приложено к последовательно соединенным конденсатору 9 и второму резистору 10. Падение напряжения на втором резисторе 10 сравнивается с выходным напряжением четырехполюсника 11. При равенстве напряжений сигнал, на входе индикатора 12 отсутствует.

Српротивление первого резистора 3 во много раз больше сопротивлений образца 5 с намагничивающей обмоткой 6 и четырехполюсника 11, поэтому амплитуда напряженности поля Hj определяется по показанию вольтметра 2 согласно формуле

Н

()

где W

число витков в обмотке б; средняя длина силовой линии испытуемого образца, м; сопротивление резистора 3,

R .Ом.

Сопротивление R второго резистора 10 устанавливают таким, чтобы выполнялось неравенство

7/10,

(5)

где - эКвивал нтная емкость четырехполюсника 11, вычисляемая по формуле

Sw|f i)c,,

(Ь)

1э

где Сщ,, - емкость конденсатора 17, Ф;

-емкость конденсатора 18, Ф;

-емкость входных конденсаторов, соединяемых с внешней цепью переклк чателями 19 и 20, Ф.

Установив необходимую частоту перемагничивания f по генератору 1 и напряженность магнитного поля Н по вольтметру 2, изменяют емкости конденсаторов 9 (фиг, 1) и 17 (фиг. 2) таким образом, чтобы напряжение на входе индикатора 12 равнялось нулю. Тогда составляющие yu. и /и- конмлексной магнитной проницаемости определяются по формулам:

„

где tgef - тангенс угЛа потерь денсаторов че гырвхполюсника 11;

S - п:лощаль поперечного сучения образца 5, я)

2 витков в измери:тельной обмотке 7образца 5; С2 - емкость конденсатора

9, Ф. .

Обычно выражения в круглых скобках формул (б) и (7) можно заменить единицей. Ввиду того, что oTHotiieHHe может быть взято порядка 100, емкости конденсаторов С,, Ср, С выбираются сравнительно небольшими, что позволяет резко уменьшить частотную погрешность емкости , тл согласно формуле (6) повысить точность измерения ЦА,.

Для повышения точности измерения f.oiipeR nHeTca .величина . ,. входящая в формулу (7), для чего переключатель 4 (фиг. 1) переводится в положение II и схема вновь уравнЪвешивается регулировкой С2 и f. Величина tg определяется из: формулы.

.-,

30

где LO и М - индуктивность ВТОЕ ЙЧной обмотки и взаимная индуктивность катущки.

35 8 соответственно,.Гн, Известно, что tg,d пропорционалак частоте, в то время как tgd для высококачественных конденсаторов практически постоянен.

40 ; Изменения повторяют при всех возможных положениях переключателей 19 и 20, При этом для схемы, показанной на фиг, 2, будут определены согласно

формуле (8) суммы 45 для четырех конденсаторов 13-16, включенных порознь, а также для шести конденсаторов; 13 и 14; 13 и 15; 13 и 16; 14 и 15; 14 и 16; l6 и 16. всего получается система из 10 урав50 нени вида (8) для семи неизвестных:

тангенсов.углов потерь конденсаторов . 13 - 15, 17 и 18, а также угла потерь катушки взаимной индуктивности, который пропорционален частоте

55.( 9)

.где J - постоянная величина.

Полученные данные .обрабатываются йзвестньоли приемами (например методом наименьишх квадратов) и опреде-. ляются tgd).-, а также et . Найденное значение tgcrc,, представляется в формулу (7) , из которой, определяют /и.. I Следует отметить, что при опреде5 лении величин /и, и )u.,2 для образцов

одной партии материала tgifj. . является практически постоянной величиной. Включив резистор 22 (фиг. 2), можно подобрать его сопротивление таким образом, чтобы . В этом случае расчеты по формуле (7) упрощаются.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом достигается повышение точности измерения величины |u, в 5 - 10 раз благодаря применению конденсаторов небольшой емкости, имеющих малую частотную погрешность, а также повышение точности измерения величины ju.2 в 10 - 20 раз путем исключения влияния угла потерь конденсаторов на результаты измерения.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА, содержащее последовательно соединенные генератор переменного тока и первый резистор, намагничивающую обмотку, подключенную к выходу генератора, регистрирующий прибор, а такхсе измерительную обмотку, второй резистор, конденсатор и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены переключатель, катушка взаимной индуктивноети, четырехполюсник, один вход которого соединен с первым резистором че рез одну пару неподвижных контактов переключателя,, другой вход - с генератором, один выход - с общей шиной, и индикатором, другой - через другую пару неподвижных контактов переключа теля - с измерительной обмоткой и нв посредственно с резистором и конденсатором, одна пара подвижных контактов переключателя соединена с намагничивающей и измерительной обМотка ми, а другая - с обмотксши катушки взаимной индуктивности. 2. Устройство по п. 1,отличающеес я там, четырехполюсник выполнен в виде параллельно соединенных не менее че гырех входных конденсаторов, выходного конденсатора переменной ёмкости, проходного koндeнcaтopa и резистора, связанных через переключатель с его входа.ми и выходами.