Стандарди за мерење магнетских карактеристика феромагнетских лимова

Transcript

1 Стандарди за мерење магнетских карактеристика феромагнетских лимова Владимир Брковић Факултет техничких наука, Чачак Електротехничко и рачунарско инжењерство, Електроенергетски системи, 2015/2016 e-ail: Ментор рада: др Бранко Копривица, доцент Апстракт Завршни рад се бави обрадом два IEC стандарда који се тичу мерења магнетских карактеристика феромагнетских материјала помоћу Епштајновог апарата и методе тестера са једним комадом лима. Рад садржи теоријске основе у вези са феромагнетским лимовима и њиховим магнетским карактеристикама, извод најбитнијих делова оба стандарда, основе инструментације базиране на персоналном рачунару, опис опреме за извођење лабораторијског експеримента реализованог на основу стандарда за мерење помоћу Епштајновог апарата, као и добијене резултате мерења и њихову анализу. Као прилог, завршни рад садржи превод оба стандарда са енглеског језика. Кључне речи феромагнетски лимови, IEC стандарди, Епштајнов апарат, тестер са једним комадом лима 1 УВОД У мастер раду Стандарди за мерење магнетских карактеристика феромагнетских лимова, обрађен је међународни стандард IEC 60404, односно његов други и трећи део [1, 2]. У другом делу стандарда дефинисани су општи принципи и технички детаљи мерења магнетских особина феромагнетских лимова помоћу Епштајновог рама, а у трећем делу методом тестера са једним комадом лима. У оквиру практичног дела рада, приказана је реализација лабораторијских испитивања на модификованој верзији Епштајновог апарата. Рад приказује резултате мерења и одговарајућу дискусију. У прилогу рада је дат превод оба стандарда са енглеског језика. 2 САВРЕМЕНИ МЕРНО-АКВИЗИЦИОНИ СИСТЕМИ Аквизиција, анализа и презентација представљају три области на које се може поделити мерно-аквизициони систем. У реализације система може бити заступљен хардвер, софтвер или њихова комбинација[3]. Додавањем одговарајућег хардвера и софтвера персоналном рачунару, могу се ефикасно решавати проблеми мерења и управљања. Тиме се добија виртуелни инструмент којим се остварује функција класичног инструмента, са лакшим прилагођавањем мерењима различитих намена. Графички оријентисано окружење за развој апликативних програма као што je LabVIEW, пружа могућност да се на ефикасан начин дође до решења виртуелног инструмента који обједињује функције аквизиције, обраде података, меморисања, презентације и комуникације са другим рачунаром или уређајем. Три основна дела која чине виртуелни инструмент су фронт панел, блок дијаграм, који представљају два одвојена, али зависна прозора, и иконе/конектори. Фронт (предњи) панел је интерактивни кориснички интерфејс који представља спољашњи изглед виртуелног инструмента а један од могућих изгледа је приказан на Слици 2.1. Слика 2.1. Изглед фронт панела.

2 Блок дијаграм представља програмско решење проблема, реализовано графичким програмским језиком. Ствара се помоћу терминала, извршних чворова графа и путања. Један од могућих изгледа блок дијаграма је приказан на Слици 2.2. Слика 2.2. Један од могућих изгледа блок дијаграма. 3 ФЕРОМАГНЕТСКИ МАТЕРИЈАЛИ И МЕТОДЕ МЕРЕЊА КАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИЈАЛА Основна подела материјала је у погледу магнетске пермеабилности и то на следеће групе: а) дијамагнетике, r 1, б) парамагнетике, r 1, в) феромагнетике, r 1. Друга подела материјала, на основу узајамног дејства магнетских момената атома, дели материјале на основу постојања магнетског момента у одсуству спољашњег магнетског поља. Та подела је приказана је на слици 3.1. Слика 3.1. Подела материјала према узајамном дејству магнетских момената атома. Феромагнетски лим се добија хладним или топлим ваљањем. Од процеса производње зависи и то да ли ће материјал бити анизотропан или не. Изотропни материјали при мерењу показују исте карактеристике без обзира на смер побудног поља, док су код анизотропних материјала карактеристике материјала различите за различите смерове побудног поља. Основна карактеристика ових материјала, и феромагнетских материјала уопште, је појава магнетског хистерезиса. 3.1 Магнетски хистерезис и крива магнећења Уочљиве појаве које карактеришу феромагнетске материјале су: реманентни магнетизам, нелинеарност и хистерезис.

3 Када се материјал изложи спољашњем магнетском пољу доћи ће до пораста магнетске индукције и поља у материјалу, Слика 3.2. Повећањем јачине магнетског поља до максималне вредности H, постиже се и максимална магнетска индукција B и у тој тачки материјал се налази у засићењу. Смањењем јачине поља до нулте вредности у материјалу се постиже реманентна индукција B r, али се тачка магнећења неће кретати по првобитној криви магнећења. Смањењем магнетског поља постиже се вредност коерцитивног поља H c, када се има нулта вредност магнетске индукције. Ако се постигне поље јачине H, магнетска индукција ће постићи своју максималну негативну вредност B.Дакле, при променама јачине поља од H до H стварају се две криве за одговарајуће вредности магнетске индукције и те две криве чине хистерезисну петљу материјала. BT H, B 0, Br H c,0 Првобитна крива магнећења H A H, B Слика 3.2. Хистерезисна петља и крива магнећења. 3.2 Специфични губици у гвожђу Приликом појаве хистерезиса долази до губитака енергије у материјалу услед промена магнетских стања у самом материјалу. Губици који се јављају услед хистерезиса се често приказују као губици активне снаге у феромагнетском материјалу. Ти губици се могу приказати у односу на масу феромагнетског материјала и они се називају специфични губици. T T P V d B 1 d B ps H dt H dt T dt T dt 0 0 Губици активне снаге услед хистерезиса директно сразмерни су фреквенцији f побудног магнетског поља и максималној вредности магнетске индукције B. 3.3 Методе мерења Две стандардизоване методе које се користе за одређивање магнетских карактеристика феромагнетских лимова су: Епштајнов апарат и тестер са једним комадом лима. Епштајнов рам чине примарни и секундарни намотај, као и узорак који треба да буде испитан. Узорак чине лимови сложени у квадрат, а при томе им се крајеви преклапају на угловима. 250 l 0.94 Слика 3.7. Епштајнов рам (апарат). Код тестера са једним комадом лима узорак је само један лист лима димензија 50 50c, а остатак магнетског кола чине два гвоздена јарма (помоћу којих се затвара коло).

4 Слика 3.8. Тестер са једним комадом лима. 4 МЕРНО-АКВИЗИЦИОНИ СИСТЕМ И ЕПШТАЈНОВ АПАРАТ За лабораторијска мерења је коришћен постојећи Епштајнов апарат мањих димензија од стандардом прописаних, тако да дужина његове странице износи 15c. За овај Епштајнов апарат су коришћени подаци наведени у лабораторијском практикуму и то: N 1 =629, N 2 =2124, l=0,48, S=6.36 c 2, =2,35 kg Шеме веза и мерна опрема Основна шема која се користи за мерење овим Епштајновим апаратом приказана је на Слици V 50 Hz ИТ i 1 R N1 N2 u1 u2 NI cdaq-9172 PC Слика 4.1. Шема везе за мерење Епштајновим апаратом. Основу мерног система чини персонални рачунар са софтвером виртуелне инструментације, повезан са кућиштем NI cdaq-9172 у коме се налази аквизиционa картицa NI 9215 за мерење напона. Напон са аутотрансформатора се доводи на примар изолационог трансформатора (ИТ) који има улогу да елиминише једносмерну компоненту и шумове у напону. Секундар ИТ је заједно са шант отпорником R повезан на ред са примарним намотајем Епштајновог апарата. Појава напона на N 1 узрокује појаву струје i 1 у том делу кола, а та струја је потребна за магнећење мерног узорка. Постојање ове струје узрокује појаву магнетског поља H у материјалу, праћену појавом магнетског флукса Φ и магнетске индукције B. Услед промене флукса у времену долази до индуковања напона u 2 на крајевима секундарног намотаја N 2. Секундарни намотај мерног узорка је неоптерећен, а његова струја занемарљива (празан ход). Напони u 1 на шант отпорнику R и напон u 2 се доводе на улаз аквизиционе картице за мерење напона. Напони u 1 и u 2 се користе за одређивање јачине магнетског поља и магнетске индукције у феромагнетском лиму на основу Амперовог и Фарадејевог закона, a то се може описати следећим изразима: Nu Rl , 1 1 u Ri N i Hl H t d 1 u2 N2, BS B B0 u2 dt dt N2 S 0 Специфични губици активне снаге се могу одредити помоћу следећег израза: 1 T fn p u t u t t s 1 2 d N2R LabVIEW апликација и резултати мерења За потребе мерења Епштајновим апаратом, направљена је апликација у програму LabVIEW, Слика 4.2.

5 Резултати мерења на основу којих се конструишу криве магнећења и специфичних губитака се чувају у меморији рачунара. Овако сачувани подаци се могу накнадно користити за додатне прорачуне. Осим резултата приказаних на Слици 4.2, на основу података сачуваних на рачунару могу се добити и други резултати од значаја. Један такав резултат, фамилија измерених хистерезисних петљи, је приказан на Слици 4.3. Са приказаних петљи је могуће анализирати вредност коерцитивног поља и реманентне индукције, а на основу изгледа петљи могуће је приближно одредити и врсту феромагнетског лима. Приказане петље одговарају онима које се најчешће добијају са неоријентисаним феромагнетским лимовима који имају мали садржај силицијума, до 2%. Овакве лимове карактерише хистерезисна петља са израженом кривином у колену петље и велика вредност коерцитивног поља, а релативно ниска вредност реманентне индукције. Слика 4.2. Изглед предњег панела коришћеног виртуелног инструмента. 1.5 B [T] H [A/] Слика 4.3. Фамилија хистерезисних петљи, измерено на 50Hz. 5 ЗАКЉУЧАК Предмет овог мастер радa је међународни стандард IEC 60404, односно његов други и трећи део. Превод оба стандарда са енглеског језика дат je на крају рада, као прилог. Друга глава рада описује концепт савременог мерног система базираног на персоналном рачунару, појам виртуелног инструмента, односно програмски пакет за аквизицију података LabVIEW, његове функције и начин примене. Особине феромагнетских материјала, њихове поделе, као и уочљиве појаве које их карактеришу (реманентни магнетизам, нелинеарност и хистерезис) су представљене у трећој глави. Поред тога, у овој глави описане су и стандардизоване методе мерења магнетских карактеристика.

6 Опис мерне опреме и шема веза на основу које је извршена реализација практичног дела овог мастер рада дат је у четвртом поглављу. У овом делу рада је приказана реализација лабораторијских испитивања на модификованој верзији Епштајновог апарата. Приликом извођења експеримената коришћен је савремени мерни систем базиран на персоналном рачунару. У програму LabVIEW је направљена апликација за потребе мерења са Епштајновим апаратом. На основу облика измерених хистерезисних петљи, приказаних у оквиру четврте главе, као и вредности коерцитивног поља и реманентне индукције, извршена је приближна идентификација феромагнетског лима. Утврђено је да добијене хистерезисне петље најближе одговарају онима које се добијају при испитивању неоријентисаног феромагнетског лима са малим садржајем силицијума, до 2%. Мастер рад даје могућност другим студентима да на основу датих превода стандарда и описа реализованог експеримента наставе рад у области мерења магнетских карактеристика феромагнетских лимова. Литература [1] IEC , Magnetic aterials Part 2: Methods of easureent of the agnetic properties of electrical steel strip and sheet by eans of an Epstein frae, International Electrotechnical Coission, June [2] IEC , Magnetic aterials Part 3: Methods of easureent of the agnetic properties of electrical steel strip and sheet by eans of a single sheet tester, International Electrotechnical Coission, April [3] A. Milovanović, B. Koprivica, Virtuelna instruentacija, Tehnički fakultet Čačak, [4] B. Koprivica, A. Milovanovic, and M. Djekic, Deterination of characteristics of ferroagnetic aterial using odern data acquisition syste, Serbian Journal of Electrical Engineering, Vol. 6, No. 3, pp , Dec [5] S. Tuanski, Handbook of Magnetic Measureents, CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 2006.