Tài liệu Đo và thử nghiệm các đại lượng từ ppt

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ CHƯƠNG 15 ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ (2 LT) 15.1 Các sở chung Trong thiết bị điện điện tử sử dụng nhiều vật liệu từ, phương pháp từ sử dụng nghiên cứu vật liệu bán dẫn, siêu dẫn hạt Trong việc thăm dị khống sản phươpng pháp từ chiếm vai trò quan trọng Nội dung đo lường từ tóm tắt sau: Đo đại lượng từ: đo cường độ từ trường H, cảm ứng từ B: khơng khí, vật liệu từ như: - Đo cường độ từ trường Trái đất, thiên thể - Đo trường phân bố từ trường thăm dị địa chất thám khơng - Đo mơmen từ - … Nghiên cứu vật liệu sắt từ: vật liệu sắt từ có hai loại: sắt từ cứng sắt từ mềm Trong vật liệu sắt từ mềm thường cần xác định đường quan hệ B(H) µ(H) Ngồi cần đo cmả ứng từ bão hòa BS, lực khử từ HC Trong thiết bị điện có hình dáng mạch từ phức tạp: việc đánh giá hiệu mạch từ thực phương pháp đo cường độ từ trường, cảm ứng từ phận khác mạch từ Trong nghiên cứu cấu trúc vật chất: phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cộng hưởng từ điện tử phương pháp có hiệu đạt độ xác cao Xác định khuyết tật chi tiết máy xác định kích thước chi tiết gia cơng khí phương pháp từ: lĩnh vực quan trọng đo lường từ Khuyết tật xác định tổng hợp hay cục thông qua từ dẫn điện trở suất chi tiết, thông qua điện cảm L hay hỗ cảm M cuộn dây có lõi chi tiết kiểm tra 15.2 Các phương pháp đo từ thông, cảm ứng từ, cường độ từ trường 15.2.1 Tổng quan phương pháp đo từ thông, cảm ứng từ, cường độ từ trường: Trong lĩnh vực khác khoảng đo khác yêu cầu độ xác khác nhau, khả phân ly khác Tuy nhiên ta suy đại lượng cần đo ứng dụng chúng lĩnh vực khác Nói chung đo đại lượng từ quy phép đo: đo cường độ từ trường, đo cảm ứng từ, đo từ thông Đo cường độ từ trường, cảm ứng từ hay từ thông liên quan đến Đại đa số trường hợp ta đo đại lượng để suy đại lượng Vì mà đại đa số thiết bị đo từ gọi từ thông kế (Teslamet) chủ yếu đo từ GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ thông Φ cảm ứng từ B Từ kế magnitômet - chủ yếu đo cường độ từ trường H Đặc điểm thứ hai đo lường từ có thiết bị đo khơng phải đo đại lượng từ cần thiết mà nhiều cịn phải tính tốn tạo mẫu thử việc đòi hỏi kiến thức tối thiểu đo lường từ Các đại lượng từ nói có quan hệ với thơng qua quan hệ sau: ψ = Φ.W (15.1) đó: ψ - từ thơng móc vịng Φ - từ thơng W - số vịng dây cuộn dây móc vịng vào từ thơng Φ = B.S đó: (15.2) B - từ cảm ứng S - diện tích mà từ cảm xun qua B = µ H đó: µ - Hệ số dẫn từ vật liệu H - Cường độ từ trường H= đó: (15.3) I W l (15.4) I.W = F : sức từ động cuộn dây kích từ tạo l - chiều dài mạch từ Ta có: Φ= I W l µ S Từ trở mạch từ: l RM = µ S Điện cảm cuộn dây: L= ψ I = W2 W2 = l RM µ S (15.5) Các phương pháp đo đại lượng từ: - Phương pháp cảm ứng - Từ thông kế từ điện - Đo từ thông điện kế xung kích - Từ thơng kế theo phương pháp khuếch đại tích phân - Từ thơng kế chuyển đổi Hall - Đo từ trường cảm biến điều chế (dò từ) - Đo từ trường phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân - Đo từ trường hiệu ứng siêu dẫn 15.2.2 Phương pháp cảm ứng: Nguyên lý hoạt động: điểm phương pháp tạo biến thiên từ thơng móc vịng vào cuộn dây đo lường Biến thiên từ thơng móc vịng cảm ứng sức điện động: dψ e= ⇒ dψ = edt dt lấy tích phân dψ ta được: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ t2 ψ = [ψ ]tt = ∫ edt t2 ψ −ψ = ∆ψ = ∫ edt ⇒ t1 t1 hoặc: ∆ψ = R q với q điện tích chạy mạch đo Để tạo biến thiên từ thơng làm sau: - Rút cuộn dây đo từ trường cần đo ngồi khơng khí ψ từ trường cần đo, ψ = - Quay ngược cuộn dây từ thông móc vịng biến thiên từ − ψ đến +ψ - Quay cuộn dây từ trường cần đo, đo sức điện động cảm ứng: e = ψmaxω.cosωt - Thay đổi chiều dịng điện kích từ mạch từ: ∆ψ = 2ψ - Rung cuộn dây đo với biên độ không đổi, tạo biến thiên từ thông ∆ψ = ψmax - ψmin, sức điện động cảm ứng đưa vào khuếch đại tích phân: điện áp khuếch đại : t U = ∫ e.dt Như U - tỷ lệ với từ thơng móc vịng cuộn dây đo Ta gọi thiết bị từ thơng kế Cấu tạo: có sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 15.1: Hình 15.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo từ thông kế theo phương pháp cảm ứng 15.2.3 Từ thông kế từ điện: Nguyên lý haọt động: từ thông kế từ điện, dụng cụ tích phân cấu từ điện khơng có mơmen phản kháng tức dịng điện vào từ thông kế qua dây mảnh khơng có mơmen phản kháng Điện trở cuộn dây đo khung quay từ thơng kế nhỏ thành phần chủ yếu mơmen hệ khí thành phần cản dịu Phương trình cân mômen hệ là: dα P với: P hệ số cản dịu: dt = M q = B.S W I P= B.S W Mq - mômen quay gây nên dòng điện cảm ứng: M q = B.S W I = B.S W e R Phương trình trở thành: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ R dα = edt ( B.S W ) Lấy tích phân hai vế: t R α2 t [ ] α = edt = [ψ ]t12 α1 ∫ ( B.S W ) t1 [ ( B.S W ) ψ −ψ R ⇔ ∆ψ = RC Φ (α − α ) ⇒ α1 −α = ] với CΦ gọi số từ thông kế: CΦ = ( B.S W ) Cấu tạo: hình 15.2: Hình 15.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo từ thông kế từ điện 15.2.4 Đo từ thơng điện kế xung kích: Ngun lý hoạt động: điện kế xung kích cấu từ điện có qn tính phần động lớn, thành phần chủ yếu phương trình cân mơmen mơmen động Ta viết: d 2α P.dα J + + D.α = B.S W I tích phân vế ta có: Với v = dα có: dt dt dt dα J + P.α = B.S W q dt J v + P.α = B.S W q Tại thời điểm v = ta coi α = αmax, phương trình trở thành: P.α max = B.S W q mặt khác hệ số cản dịu P là: P = ⇒ α max = B.S W q P B.S W suy ra: α max = ( B.S W ) q GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ với q điện tích chạy mạch đo: vậy: với: α max = q = ∆ψ / R ( B.S W ) ∆ψ ⇒ R ∆ψ = R.Cb α max Cb : số xung kích điện kế R : tổng điện trở mạch đo 15.2.5 Từ thơng kế theo phương pháp khuếch đại tích phân: Cấu tạo: khuếch đại tích phân thực khuếch đại thuật tốn hay khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn, phản hồi mạch RC hay cuộn dây hỗ cảm Sơ đồ từ thông kế khuếch đại tích phân cho hình 15.3: Hình 15.3 Sơ đồ từ thơng kế khuếch đại tích phân Nguyên lý hoạt động: sơ đồ hình 15.3a ta có : t U = edt = ∆ψ ∫ RC t1 RC ∆ψ = (U −U ) RC và: U1 : điện áp đầu ứng với ψ1 U2 : điện áp đầu ứng với ψ2 Trong sơ đồ hình 15.3b ta có: mạch phản hồi cuộn dây hỗ cảm M12 Sức điện động đầu vào ev = dψ / dt cân với sức điện động hỗ cảm với: ek = M 12 dI / dt , suy ra: dψ dI = M 12 dt dt lấy tích phân hai vế ta có: [ψ ]tt = M 12 [I ]t12 t ∆ψ = ψ −ψ = M 12 [I − I ] Ví dụ: micrơwêbemet Φ190 người ta sử dụng khuếch đại điện kế có ngưỡng nhạy thấp, nhiễu Thang đo đạt 2, 5, 10, 20, 50, 100, 500 micrơWêber, sai số 1,5% Khuếch đại tích phân kiểu sử dụng trường hợp đo từ trường cuộn dây quay hay cuộn dây rung: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ Ta có sức điện động cảm ứng vào cuộn dây dψ e= =ψ m ω cos ω t dt với: ψm - từ thơng móc vịng cực đại ω - tần số góc cuộn dây quay Hình 15.4 Đo từ thơng cuộn dây quay Qua khuếch đại tích phân (H.15.4) ta có: U = k ∫ edt = k ∫ψ mω cos ω t dt ⇔ U = kψ m sin ω t Ura tỉ lệ với ψm, đo điện Ura suy từ thơng ψm 15.2.6 Từ thông kế chuyển đổi Hall: Nguyên lý hoạt động: chuyển đổi (cảm biến) Hall mảnh mỏng bán dẫn kết cấu đặc biệt Khi có dịng điện i chạy dọc theo bán dẫn đồng thời có từ cảm ứng B tác động lên bề mặt xuyên qua bán dẫn hai cực điện nằm hai thành ngang bán dẫn xuất sức điện động theo hiệu ứng Hall: E H = K H I B sinψ đó: ψ - góc lệch I B KH - hệ số hiệu ứng Hall I - dòng điện chạy dọc cảm biến B - từ cảm xuyên qua cảm biến Từ cảm ứng B chiều xoay chiều Trong trường hợp B chiều, dòng điện I chiều chế tạo khơng đối xứng lúc chưa có B hai điện cực áp cảm biến có điện áp khơng cân chiều, dùng khuếch đại chiều ta phải bố trí mạch bù zêrơ ban đầu Hiện tượng khử dùng khuếch đại xoay chiều tức dòng điện I cung cấp dòng xoay chiều Khi đo từ cảm ứng nhỏ, sức điện động Hall nhỏ hệ số khuếch đại phải lớn, để đảm bảo độ xác phép đo người ta dùng phương pháp bù: tức dòng điện khuếch đại sau chỉnh lưu đưa vào cuộn dây tạo từ trường bù với từ trường cần đo: Bk = µ W I l Với hệ số khuếch đại mạch cao ta có: B = Bk = µ W I l đo Ira ta suy B Cấu tạo: sơ đồ từ thông kế dùng chuyển đổi Hall cho hình 15.6: chuyển đổi Hall cung cấp nguồn xoay chiều tần số 1000Hz GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ Điện áp cảm biến khuếch đại giải điều chế đưa vào cuộn dây bù tạo Bk Nếu hệ số khuếch đại đủ lớn B coi Bk: Hình 15.5 Sơ đồ từ thông kế dùng chuyển đổi Hall 15.2.7 Đo từ trường cảm biến điều chế (dò từ): Nguyên lý hoạt động: hai lõi sắt từ có hệ số từ cao (pecmalơi) hồn tồn giống kích từ từ trường H1 với tần số f1 Cuộn dây thứ cấp W2 nối xung đối Khi chưa có tác dụng từ trường chiều ngồi: tính đối xứng hai biến áp điện áp zêrơ; có từ trường ngồi tác động vào lõi thép điều chế từ cân từ hai lõi bị phá vỡ có suất điện động xuất đầu E2: dµ E = k B1 µ f H X dH đó: E2 : sức điện động thứ cấp điều chế từ có tần số f2 = 2f1 B1, H1 : cảm ứng từ cường độ từ trường kích thích µ: hệ số dẫn từ lõi HX : từ trường chiều cần đo Cấu tạo: cấu tạo điều chế có nhiều dạng khác hình 15.6: Trong hình 15.7a: lõi dị từ gồm hai pecmalơi thẳng đặt song song kích từ theo hai chiều ngược nhau, cuộn dây thứ cấp W2 bọc hai lõi thép Từ trường đo có chiều dọc theo hai lõi thép Dị từ loại có độ nhạy thấp nên phải có khuếch đại tách sóng có điều khiển ở tần số f2 = 2f1, Trong hình 15.6b: dị từ tạo nên hình xuyến chia làm hai phần đối xứng Cuộn dây kích từ W1 bố trí rải trên mạch từ Cuộn dây thứ cấp W2 chia làm hai phân đoạn bố trí đối xứng qua đường kính (trục đo từ trường H) nối xung đối Sơ đồ thiết bị đo cường độ từ trường dị từ xuyến có độ nhạy cao nên trực tiếp đưa vào dụng cụ đo khơng cần khuếch đại Dịng kích từ có tần số kHz Tần số thứ cấp có thành phần điều hoà bậc chẵn tỉ lệ với từ trường đo HX Điện áp E2 lớn nên dùng tách sóng bậc chẵn đơn giản hai điốt ổn áp Trong hình 15.6c: dị từ tạo nên ống vật liệu có hệ số dẫn từ µ cao Cuộn kích từ quấn cuộn dây hình xuyến phân bố khắp tiết diện Cuộn dây đo quấn ngang ống Dò từ kích từ dịng xoay chiều có tần số f1 = 5÷10kHz phụ thuộc GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ vào chiều dày thép chế tạo lõi Độ nhạy dị từ đo từ trường cao cho phép đo từ trường nhỏ cỡ 10-9 ÷ 10-4 A/m Hình 15.6 Đo từ trường cảm biến điều chế (dò từ): a) Cấu tạo cảm biến dò từ lõi thẳng b) Cấu tạo cảm biến dị từ hình xuyến c) Cấu tạo cảm biến dị từ kích từ dọc d) Cấu tạo cảm biến dị từ hình ống e) Sơ đồ khối ngun lý dụng cụ đo từ trường dò từ Sơ đồ khối nguyên lý dụng cụ đo từ trường dị từ: hình 15.6e: mạch phát xung sở có tần số, sau chia hai lọc sau khuếch đưa vào kích thích dị từ Điện áp dị từ có tần số 2f1 khuếch đại chọn lọc sau tách sóng có điều khiển tần số 2f1 đưa thị Thiết bị thường dùng để đo từ trường đất theo ba phần, xác định giá trị từ trường, độ lệch từ khuynh từ thiên dùng vật lý địa cầu thăm dị khống sản, chuyến bay thăm dị Để phép đo có độ xác cao, ta dùng thiết bị bù từ trường cuộn dây Hembơn, cuộn dây trịn chia làm hai phần đặt cách khoảng bán kính cuộn dây Với cách bố trí từ trường tạo cuộn dây có giá trị : H H = 0,719 I W R Công thức xác nên cần đo dịng điện I để suy HH 15.2.8 Đo từ trường phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân: Nguyên lý hoạt động: phương pháp đo từ thơng có độ xác cao Nó dựa chuyển đổi lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân (xem lại chương 7, mục 7.8) Tần số cộng hưởng từ hạt nhân xác định là: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ ω= µ.B P = γ B Theo biểu thức ta xác định độ từ cảm B theo giá trị tần số cộng hưởng ω hệ số thủy từ γ: ω B= γ Hệ số γ chất xác định xác đến 0,001% cịn sai số đo ω đạt đến 0,0001% tần số kế thị số sử dụng phương pháp đo độ từ cảm B từ trường với độ xác cao Với phương pháp đo độ từ cảm từ trường từ 0,005T trở Giới hạn đo phụ thuộc vào hạt nhân nguyên tử chất mà ta sử dụng Ví dụ: Nếu dùng hạt nhân hyđrơ (H2) đo từ trường đến 0,5T; dùng Li đo từ 0,5÷1,0T cịn dùng nước nặng D đo từ 1,0T trở 15.2.9 Đo từ trường hiệu ứng siêu dẫn: Nguyên lý hoạt động: dựa đặc tính lượng tử từ thông xuyên qua màng siêu dẫn: Φ0 = h = 2,1.10 −15 [ Wb] 2e Có phần tử siêu dẫn gồm hai vật siêu dẫn ngăn cách lớp cách điện; dịng điện chiều qua phần tử mà khơng có điện áp rơi lớp cách điện (hiện tượng gọi hiệu ứng Jozepson) Phần tử Jozepson tạo thành có dạng hình 15.8: Hình 15.8 Phần tử Jozepson Khi dòng điện chiều chạy qua phần tử đạt đến giá trị tới hạn phần tử nói (hai bên màng cách điện) xuất điện áp xoay chiều mà tần số phụ thuộc vào từ trường bên ngồi tác dụng vào phần tử siêu dẫn Dịng điện tới hạn phần tử siêu dẫn có dạng: Φ I = I m cos π   Φ0  với: Φ - từ thông đo; Φ0 - lượng tử từ thơng Do dịng điện I có tính chu kỳ nên điện áp phần tử có tính xoay chiều mà tần số phụ thuộc vào từ thông tác dụng lên phần tử (H 15.9a) Từ đề phương án từ thơng kế kiểu siêu dẫn hình 15.9b: phận từ thơng kế phần tử siêu dẫn hình xuyến, cung cấp nguồn dịng chiều có giá trị lớn dịng tới hạn Lúc có từ GV: Lê Quốc Huy_Bộ mơn TĐ-ĐL_Khoa Điện GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ trường bên tác động, xuất điện áp xoay chiều, điện áp khuếch đo tần số Hình 15.9 Từ thơng kế sử dụng phần tử Jozepson: a) Sự thay đổi điện áp lúc từ thông vượt giá trị lượng tử b) Sơ đồ khối từ thông kế sử dụng phần tử Jozepson Trong dụng cụ đo từ thông kiểu bù ta sử dụng cuộn dây bù KK vừa tạo từ thông bù, vừa tạo từ thông điều chế máy phát tần số thấp Từ thông điều chế gây biến thiên từ thông điều chế đầu phần tử Jozepson Sau khuếch đại, tích phân, tín hiệu chiều đưa vào cuộn dây bù KK đo dụng cụ đo Ira Dòng giữ giá trị cố định từ thông Φk = Φđo Từ thông kế siêu dẫn cho phép đo từ thơng có giá trị nhỏ 10-12 T(tesla) 15.3 Đo thông số vật liệu từ Vật liệu sắt từ dùng nhiều công nghiệp kỹ thuật điện, giao thông vận tải kỹ thuật tự động Có thể chia vật liệu sắt từ thành: vật liệu sắt từ cứng vật liệu sắt từ mềm Đối với vật liệu sắt từ cứng: cần ý đến từ dư, lực khử từ (Hc) lượng từ tích luỹ vật liệu Đối với vật liệu sắt từ mềm: người ta quan tâm đến đường cong từ hoá tức quan tâm đến quan hệ B(H), đường cong từ trễ, quan hệ µ(H) tĩnh động Ngồi cịn phải xác định tổn hao sắt từ đơn vị trọng lượng Tuy nhiên nhìn vào mối quan hệ, ta thấy chủ yếu hai đại lượng cần đo B H Bố trí để đo B H vật liệu sắt từ vấn đề dễ dàng mà liên quan đến mẫu thử 15.3.1 Mẫu thử: Để nghiên cứu vật liệu sắt từ phép đo thực mẫu thử GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 10 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ việc chọn mẫu thử bố trí đo B H mẫu thử định tính xác phép đo a) Mẫu thử hình xuyến hay hình khép kín: Đối với mẫu xuyến thực hai cách: - Lõi làm dải mỏng quấn thành hình xuyến - Lõi dập mỏng Cuộn dây kích từ W1 phân bố dải vịng xuyến từ trường kích thích tính tốn thơng qua dịng kích từ I: H= đó: I W1 2π Rtb W1 : số vịng cuộn dây kích từ 2πRtb : chiều dài trung bình xuyến: Rtb = Rng + Rtr Rng : bán kính ngồi xuyến Rtr : bán kính hình xuyến Cuộn dây đo B quấn ngồi có số vịng W2 Sức điện động cảm ứng với W2 đo từ thông kế hay khuếch đại tích phân: ∆ψ = ∫ e dt Mẫu thử hình xuyến thường dùng cho vật liệu sắt từ mềm, có từ dư Bd đường cong từ trễ hẹp, lực khử từ nhỏ b) Mẫu thử hình thẳng: Đối với mẫu thử thẳng, người ta phải chế tạo thiết bị tạo từ trường mạnh để từ hố vật liệu Từ thẩm kế phải chế tạo đảm bảo tạo miền có cường độ từ trường mạnh Từ thẩm kế cuộn dây Xêlênoit lớn có chiều dài gấp 50 lần đường kính Cuộn dây đo B quấn phần mẫu thử đặt miền Xêlênoit Với lõi cường độ từ trường tính: H= I W l với: I : dịng điện chạy Xêlênơit W : số vịng Xêlênơit l : chiều dài cuộn dây Trong trường hợp Xêlênôit không đảm bảo tỉ số chiều dài đường kính, cường độ từ trường tính theo cơng thức lý thuyết phụ thuộc vào kích thước Cấu tạo từ thẩm kế hình vẽ 15.10: gồm mạch từ mạnh gồm hai nửa hình П Để thay đổi khoảng cách miền từ trường mạnh đều, lõi thép hình П kẹp chặt vào phần mạch từ hình T I Nhờ kết cấu lõi giữ chặt khơng bị dịch chuyển q trình đo Cuộn dây kích từ lớn thay đổi dải rộng từ µA 20A Mẫu thử thẳng quấn cuộn dây WB đo từ cảm B, ngồi cịn có cuộn dây khơng có lõi thép WH để đo H Để tạo biến thiên từ trường, từ cảm ứng người ta phải đảo dòng điện chạy từ thẩm kế Khi đảo dòng điện GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 11 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ từ thẩm kế ∆ψ hai cuộn dây đo B H gây góc quay α từ thơng kế C α CΦ α H B= Φ B ; H= 2WH S B 2WH S H µ Hình 15.10 Cấu tạo từ thẩm kế 15.3.2 Xác định đường cong từ hoá ban đầu: a) Xác định đường cong từ hố ban đầu dịng điện chiều: thực cách đảo chiều từ trường kích thích đồng thời đo B H Sơ đồ hình 15.11: Hình 15.11 Sơ đồ xác định đường cong từ hố ban đầu dịng điện chiều, xoay chiều Thay đổi dịng điện kích từ từ giá trị cao zêrơ, qua giá trị dịng điện ta đảo chiều dòng điện lần đảo chiều đọc giá trị góc α từ thơng kế Đo H: Đối với lõi hình xuyến H tính theo cơng thức: H= với: I W1 2πR I - dòng điện kích từ; W1 - số vịng cuộn dây kích từ R - bán kính trung bình lõi hình xuyến GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 12 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ Đối với lõi thẳng từ thẩm kế H đo cuộn dây WH: CΦ α H H= 2WH S H µ CΦ - số từ thơng kế αH - góc quay từ thơng kế lúc đo H WH - số vịng dây cuộn dây đo H SH - diện tích móc vịng cuộn dây đo H µ0 - từ thẩm khơng khí: µ0 = 4π.10-7 Đo cảm ứng từ B: đo cuộn dây đo WB quấn vào mẫu thử: CΦ α B với: B= 2WB S B WB : số vòng cuộn dây đo B SB : tiết diện mẫu thử αB : góc quay từ thông kế đo B Ở giá trị dịng kích thích I: tiến hành đo B H thành lập bảng quan hệ B(H) b) Vẽ đường từ hoá ban đầu điện xoay chiều: Thực cách thay đổi dòng điện xoay chiều kích thích: đường cong từ hố ban đầu Bm(Hm) với: Bm : từ cảm ứng cực đại Hm : cường độ từ trường cực đại Đối với lõi thử hình xuyến ta có: với: Hm = với: I W1 2π Rtb Hm : giá trị cực đại cường độ từ trường I : giá trị hiệu dụng đo Ampemét W1 : số vòng cuộn dây kích từ Rtb : bán kính trung bình lõi hình xuyến Bm : xác định: Bm = E2 4,44 f W2 S với: E2 : sức điện động hiệu dụng dụng cụ đo thứ cấp cuộn dây thử f : tần số dịng kích từ; W2: số vịng dây đo B S : tiết diện lõi Trong trường hợp dụng cụ đo E2 dụng cụ điện tử tức điện trở vào lớn dụng cụ giá trị E2 Trong trường hợp dụng cụ đo E2 dụng cụ điện (có điện trở vào nhỏ) phải tính ra: E2 = với: U2 ( RV + R d ) Rv U2 : điện áp đo Vônmét ; RV : điện trở Vônmét Rd : điện trở cuộn dây W2 dây dẫn GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 13 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ 15.3.3 Xác định đường cong từ trễ vật liệu sắt từ: a) Xác định đường cong từ trễ vật liệu sắt từ phương pháp đảo mạch dùng đổi nối: Với lõi thử hình xuyến: sơ đồ thiết bị đo lường từ trễ vật liệu sắt từ lõi thử hình xuyến hình 15.12 : Hình 15.12 Sơ đồ thiết bị đo lường từ trễ vật liệu sắt từ lõi thử hình xuyến Quá trình xác định đường cong từ trễ thực sau: - Giai đoạn chuẩn bị: Khoá K1 mở, khố K2 đóng Điều chỉnh R1 dịng điện I1 có giá trị làm bão hồ lõi thép Sau đổi nối DN sang vị trí 1, mở K2 điều chỉnh R2 để I2 có giá trị mong muốn - Giai đoạn đo: Đóng K2 lại, đảo đổi nối DN từ đến 10 lần cho đường cong từ trễ ổn định sau đặt sang vị trí để lấy giá trị B H góc phần tư thứ Đóng K1 để mắc từ thơng kế vào mạch đo sau mở khố K2 Dòng điện từ giá trị I1 chuyển sang giá trị I2 (tức cường độ từ trường kích thích chuyển từ H1 sang H2) Do có biến thiên từ trường đo tạo lõi thử biến thiên ∆B từ thơng kế lệch góc αB: S Φ α B ∆B = B2 = B1 − ∆ B WB S H2 = ; I W1 2π Rtb Lặp lại phép đo với giá trị I2 khác ta có giá trị B2 H2 góc phần tư thứ Để có B2 H2 góc phần tư thứ hai thứ 3, ta làm khác sau đảo đổi nối ÷ 10 lần ta đặt vị trí đổi nối vị trí Sau đóng K1 mở K2 Đảo chiều đổi nối vị trí Như ta biến thiên chiều dòng điện từ I2 sang -I2 cường độ từ trường từ H1 sang –H2 tạo biến thiên từ cảm B1 sang B2; ∆B tính cũ B2 = B1 - ∆B có dấu dương góc phần tư thứ B2 có giá trị âm góc phần tư thứ Cịn H2 có giá trị âm: H2 = I W1 2πRtb Có giá trị B2, H2 đơi ta dựng thành đồ thi quan hệ GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 14 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ B(H) tức đường cong từ trễ Với mẫu hình thẳng: trình đo tương tự mẫu hình xuyến, khác lõi kích từ từ thẩm kế, cuộn dây đo B quấn quanh lõi WB từ trường đo cuộn dây WH kéo từ miền từ trường từ thẩm kế ngồi khơng khí: C α ∆B = Φ và: B2 = B1 − ∆B WB S Phương pháp dùng với vật liệu sắt từ cứng xác định góc phần tư thứ (với HC lớn) b) Vẽ đường cong từ trễ điện xoay chiều: Đường cong từ trễ mạch xoay chiều xác định quan hệ Bt(Ht), tức quan hệ giá trị tức thời B H Đường cong thực ảnh máy sóng hình 15.13: Hình 15.13 Vẽ đường cong từ trễ điện xoay chiều thực ảnh máy sóng Từ trường H tỉ lệ với dịng kích thích I, cịn điện áp thứ cấp đạo hàm từ thơng điện áp E2 phải tích phân để đưa vào đưa vào hai cực máy sóng để lập quan hệ tức thời B H Giá trị tức thời Bt(Ht) xác định chỉnh lưu pha có điều khiển Trong mạch chỉnh lưu pha ta thay đổi góc mở ban đầu chỉnh lưu giá trị trung bình dịng chỉnh lưu (trong nửa chu kỳ trọng chu kỳ) giá trị tức thời thời điểm chỉnh lưu mở Như thay đổi góc mở chỉnh lưu pha ta có tất giá trị dòng điện tức thời chu kỳ Hình 15.14 sơ đồ thiết bị vẽ đường cong từ trễ vật liệu sắt từ Lõi thử hình xuyến quấn cuộn dây kích từ W1 cuộn dây từ cảm W2 Dịng điện kích từ chọn giá trị để bão hoà lõi thép Xác định Ht: từ trường tức thời xác định bằng: Ht = I t W1 2πRtb với It đo chỉnh lưu pha Xác định Bt: cách đo giá trị tức thời tích phân sức điện động E2: ' ∫ E dt =ψ k Φ Bt S.W2 = E 2t Giá trị tức thời tích phân E2 tỉ lệ với Bt: GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 15 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ Bt = E2' t k Φ W2 S kΦ : hệ số xác định thực nghiệm E2t : xác định chỉnh lưu pha Như góc mở chỉnh lưu, ta có Bt Ht tức thời, thay đổi góc mở ta có giá trị Bt Ht khác Lập đồ thị quan hệ Bt(Ht) ta có đường cong từ trễ với: Hình 15.14 Sơ đồ thiết bị vẽ đường cong từ trễ vật liệu sắt từ Việc vẽ đường cong từ trễ tự động hố nhờ hệ thu thập số đo máy tính, bố trí hình 15.15 Trong mạch Bt đo thơng qua E2t Dịng điện xác định thơng qua hỗ cảm M nối mạch kích từ Như thay đo dịng điện tích phân điện áp ta đo điện áp đạo hàm dòng điện Các giá trị tức thời ghim giữ lại sau đưa vào A/D biến thành giá trị số Các số liệu tính tốn Bt Ht lưu giữ lại nhớ máy vi tính Sau bước, vi xử lý lại điều khiển ghim giữ lệch giá trị xác định lấy lại giá trị Bt Ht Như ta có tập số Bt Ht thời điểm khác Hình 15.15 Hệ thu thập số đo máy tính tự động vẽ đường cong từ trễ Một chương trình vẽ cho phép đường cong từ trễ lên hình giấy với bảng số hiệu Bt(Ht) GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 16 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ 15.3.4 Đo tổn hao thép vật liệu sắt từ: Một thông số cần xác định vật liệu sắt từ đo tổn hao sắt từ đơn vị trọng lượng, tổn hao công suất từ trễ dịng xốy thay đổi theo cảm ứng từ cực đại Bm tần số f Theo quy định , người ta đo tổn hao hai giá trị B B = 1T B = 1,5T(tesla) a) Đo tổn hao Watmet: Sơ đồ hình 15.16: Hình 15.16 Sơ đồ đo tổn hao thép vật liệu sắt từ Watmét Trong cuộn dây dòng điện Watmet lắp vào mạch sơ cấp, cuộn điện áp mắc vào mạch thứ cấp Lõi thép cần đo ghép thành có trọng lượng vào khoảng 10kg vật liệu Theo sơ đồ trên, Watmet tổn hao lõi thép cộng với tổn hao cuộn dây lõi thử tổn hao Vônmét cuộn áp Watmet Phần công suất tiêu thụ thêm viết: PP = với: r2' = U 22  r2  1 +  r2'  r2'  Rv Rw (Watmet Vônmét mắc song song) Rv + Rw r2 : điện trở cuộn dây lõi thử Như tổn hao thép viết: Pt = Pw W1  r2  U 22 1 +  − W2  r2'  r2'  r2  1+ '   r2   W U2  r  Pt =  Pw − 2'  1+ 2'   W2 r2   r2  Để tách tổn hao từ trễ khỏi tổn hao dịng xốy, ta có nhận xét sau: tổn hao từ trễ tỉ lệ với f cịn tổn hao dịng xốy tỉ lệ với f2 Vì để tách tổn hao từ trễ khỏi tổn hao dịng xốy ta đo tổn hao hai tần số khác f1 f2  Pt1 = af1 + bf12   Pt = af + bf 22 Giải hệ phương trình ta a b tổn hao từ trễ af1 af2, cịn tổn hao dịng xốy bf12 v bf22 Ta đo cơng suất tổn hao công thức P = U.I.cosϕ; Khi Ut = GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 17 GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ Um It = Imcosϕ ta dùng chỉnh lưu pha để xác định Um Imcosϕ Sơ đồ đo công suất tổn hao lõi thép hình 15.16 W Pth = E   W1  U0     r0   cos ϕ  Công suất tổn hao xác định qua cuộn dây có lõi thép đo cầu xoay chiều Đo cầu xoay chiều ta xác định LX tgδ tgδ = đó: rX ωL X rX = r0 + rt r0 : điện trở dây đồng quấn LX rt : điện trở tương đương tổn hao GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 18 ... THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ thông Φ cảm ứng từ B Từ kế magnitômet - chủ yếu đo cường độ từ trường H Đặc điểm thứ hai đo lường từ có thiết bị đo khơng phải đo đại lượng. .. ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ vào chiều dày thép chế tạo lõi Độ nhạy dò từ đo từ trường cao cho phép đo từ trường nhỏ cỡ 10-9 ÷ 10-4 A/m Hình 15.6 Đo từ trường... CHƯƠNG 15: ĐO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ 15.3.4 Đo tổn hao thép vật liệu sắt từ: Một thông số cần xác định vật liệu sắt từ đo tổn hao sắt từ đơn vị trọng lượng, tổn hao công suất từ trễ dịng