УДК 389.1:621.317.43
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ СИНУСОИДАЛЬНОМ РЕЖИМЕ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ
Ю. И.Дидик, Г. С. Корзунин, В. П. Малюк
Приведен краткий обзор современного состояния измерений магнитных потерь и их метрологического обеспечения. Объясняются причины широкого распространения и высокой эффективности применения стандартных образцов свойств магнитомягких материалов. Дана характеристика состояния стандартизации в данном виде измерений, а также показана перспектива развития поверочной схемы.
Магнитомягкие материалы (МММ) широко используют в электротехнических устройствах, применяемых при производстве, передаче и потреблении электрической энергии, в магнитных устройствах автоматики и систем управления.
Для измерения динамических магнитных характеристик МММ применяют выпускавшиеся серийно установки типов У5018, У5034, У5057, У5066, а также измерительные установки, разрабатываемые в единичных экземплярах или собираемые из серийно выпускаемых приборов (вольтметры, амперметры, частотомеры, осциллографы) и устройств собственной разработки (намагничивающие устройства, усилители мощности, компараторы и др.). Подобные установки используют в качестве рабочих средств измерений для выходного и входного контроля качества МММ на предприятиях, выпускающих и потребляющих эти материалы.
Поверку рабочих средств измерений магнитных свойств материалов обычно проводят с использованием стандартных образцов (СО) магнитных свойств [1—3]. Широкое распространение и высокая эффективность применения СО свойств МММ обусловлены возможностью использования СО для комплектной поверки рабочих средств измерений непосредственно на месте и в режимах эксплуатации; высокой стабильностью СО как носителей численных значений величин, подлежащих воспроизведению [5]. В Уральском научно-исследовательском институте метрологии (УНИИМ, Екатеринбург) до 1993 г. для аттестации СО свойств МММ использовались образцовые средства измерений и устройства собственной разработки.
В 1993 г. в УНИИМе в соответствии с планом государственной стандартизации была разработана, изготовлена и утверждена в установленном порядке установка высшей точности для воспроизведения единиц магнитных потерь и удельных магнитных потерь в МММ в непрерывных синусоидальных режимах перемагничивания [4, 5], получившая регистрационный номер УВТ 82-А-93.
Выбор магнитных потерь как воспроизводимой величины был обусловлен тем, что это — важнейшая динамическая характеристика МММ, необходимая при проектировании и производстве изделий из магнитных материалов, а также применяемая в качестве нормативной при производстве наиболее массового МММ — электротехнической стали.
В 1996 г. была утверждена, зарегистрирована (в виде рекомендации метрологического института МИ 2378-96) и введена в действие поверочная схема, установившая порядок воспроизведения единиц магнитных потерь и удельных магнитных потерь при помощи УВТ 82-А-93 и порядок передачи размера этих единиц с использованием государственных стандартных образцов (ГСО) магнитных свойств МММ рабочим средствам измерений [6]. Эта процедура по существу завершила на нормативном
уровне создание российской национальной системы метрологического обеспечения измерений магнитных потерь в МММ.
УВТ 82-А-93 предназначена для воспроизведения магнитных потерь от 0,3 до 20,0 Вт (удельные магнитные потери от 0,3 до 160 Вт/кг) в ГСО свойств МММ в непрерывных синусоидальных режимах перемагничива-ния в диапазоне частот от 50 Гц до 200 кГц, при амплитудах магнитной индукции от 0,1 до 1,8 Тл и передачи размера единиц при помощи рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов (ранее — "образцовые средства измерений") рабочим средствам измерений, применяемым в народном хозяйстве, с целью обеспечения единства измерений в стране.
Приказом директора УНИИМа от 28 декабря 1994 г. ученым хранителем установки высшей точности УВТ 82-А-93 утвержден один из авторов настоящей статьи, старший научный сотрудник УНИИМа В. П. Ма-люк.
СОСТОЯНИЕ СТАНДАРТИЗАЦИИ В ДАННОМ ВИДЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Большинство изделий из МММ, выпускаемых по ГОСТ 21427.1—83, ГОСТ 2142.2—83, ГОСТ 21427.4—83, ГОСТ 10160—75, работают в динамических режимах перемагничивания, то есть при воздействии непрерывно изменяющихся напряженности и индукции магнитного поля. Изделия из МММ используют во многих технических устройствах — силовых и измерительных трансформаторах, электрогенераторах, электродвигателях, магнитных усилителях, дросселях, магнитных головках и т. п.
Рабочие режимы перемагничивания весьма разнообразны, но среди них можно выделить следующие: режим синусоидального изменения индукции, режим синусоидального изменения магнитного поля и импульсные режимы перемагничивания.
Основными магнитными характеристиками, которые используют при расчетах, рекомендуют для нормирования и контролируют путем измерений на образцах из МММ и готовых магнитопроводах, являются:
статические параметры — индукция насыщения Bs, остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс, магнитная проницаемость (I;
динамические параметры — зависимость удельных магнитных потерь от индукции при заданной частоте, измеренная в режиме синусоидального изменения индукции р = p(BM)\ зависимость амплитуды магнитной индукции Вм от амплитуды поля Нм при заданной частоте Вм = 5М(ЯМ); зависимость амплитудной магнитной проницаемости от частоты |J.a, от амплитуды поля при заданной частоте |J.a = Ца(#м).
Основные частоты, на которых производят измерение динамических характеристик МММ — 50, 400 и 1000 Гц. Используют также частоты 5, 10, 100 и 200 кГц.
ГОСТ 10160—75 [7] на сплавы прецизионные магнитомягкие не нормирует динамические магнитные характеристики. Определение магнитных свойств в переменных магнитных полях может производиться по заказу потребителя. Характеристики, подлежащие определению, нормы и методы контроля устанавливают по согласованию потребителя с изготовителем.
В ГОСТ 21427.1—83 и ГОСТ 21427.2—83 [8,9] на холоднокатаную анизотропную и изотропную тонколистовую электротехническую сталь нормируют удельные магнитные потери при амплитуде магнитной индукции Вм, равной 1,0; 1,5 и 1,7 Тл, и частоте перемагничивания 50 Гц и амплитуде магнитной индукции Вм при напряженности магнитного поля Ям, равной 100, 1000 и 2500 А/и.
В ГОСТ 21427А—83 [10] на ленту стальную электротехническую холоднокатаную анизотропную нормируют удельные магнитные потери в
кольцевых образцах из электротехнической стали при индукциях 1,0 и 1,5 Тл на частоте 400 Гц. Массу кольцевых образцов устанавливают в зависимости от чувствительности имеющейся в наличии измерительной аппаратуры, мощности источника питания, а также в зависимости от размеров конечного изделия из материала. Это создает определенные трудности как при стандартизации измерительной аппаратуры, так и при создании СО свойств МММ.
ГОСТ 21427.4—83 нормирует ширину, длину ленты для изготовления образцов и внутренний диаметр кольцевого образца. Попытки выявить наиболее употребительные размеры кольцевых образцов и поступающих на аттестацию образцов не дали результатов. Выход может быть один: разработать и рекомендовать в стандартах на методы испытаний ряд типоразмеров и допустить определение магнитных свойств на образцах других типоразмеров при сохранении точности измерения магнитных величин, указанной в стандарте.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, применение СО свойств МММ является эффективным средством решения задач метрологического обеспечения контроля качества МММ. Применение СО не ограничивается областью производства и потребления МММ. СО используются также и при исследовании новых МММ, при проведении испытаний новых типов аппаратуры для магнитных измерений, при аттестации вновь разрабатываемых методик выполнения измерений.
Одним из принципов применения СО для поверки рабочих средств измерений является совпадение или близость магнитных характеристик СО и испытуемого сердечника, что приводит к необходимости создания значительного парка СО по номенклатуре. В настоящее время в Государственный реестр ГСО в соответствии с требованиями ГОСТ 8.315—97 [13] внесено 10 типов ГСО, аттестованных по удельным магнитным потерям.
На сегодняшний день количество аттестованных экземпляров ГСО различных типов составляет около двухсот. Комплексы СО удельных магнитных потерь переданы органам государственной и ведомственной метрологических служб, а также предприятиям по их заявкам.
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРА ЕДИНИЦ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ И УДЕЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ
Государственная поверочная схема для средств измерений магнитных потерь (рис. 1) определена МИ 2378-96. В ней четыре поля: рабочие средства измерений, рабочие эталоны 2-го разряда, рабочие эталоны 1-го разряда и возглавляющая поверочную схему установка высшей точности УВТ 82-А-93.
УВТ 82-А-93, в состав которой входят две измерительные установки: ВОЛНА и ЦИКЛ, реализует два независимых метода измерений: мостовой метод измерения магнитных потерь и индукционный метод с аналого-цифровым преобразованием мгновенных значений напряжений на измерительной обмотке испытуемого образца и по сопротивлении в намагничивающей цепи в цифровые коды, используемые компьютером для вычисления магнитных потерь и других характеристик образца.
В состав установки ВОЛНА (рис. 2), реализующей мостовой метод измерения магнитных потерь, входят серийно выпускаемые приборы: вольтметр В7-34, осциллограф С1-96, генератор ГЗ-107, частотомер 43-47А, измеритель нелинейных искажений С6-11, магазин сопротивлений Р4830/2, магазин емкости Р5025, нульиндикатор Ф582, и устройства собственной разработки: усилитель мощности с отрицательной обратной связью по напряжению и магнитный компаратор тока.
В установке ВОЛНА определяется параметр эквивалентной схемы замещения ГСО — сопротивление /? (проводимость потерь) и эффективное значение напряжения на измерительной обмотке ГСО При задан-
ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИИ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛАХ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ОТ 50 ДО 2-Ю5 Гц
|1 б а « а. ? е
установка высшей точнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.