Смекни!
smekni.com

Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу “физические основы получения информации” Часть (стр. 3 из 6)

Энергия электромагнитного поля двух обмоток с токами определяется следующим образом:

(4)

где I1 , I2 - действующие значения токов; j - фазовый сдвиг токов; L1 , L2 - индуктивности обмоток; M12 - взаимная индуктивность обмоток (знак последнего слагаемого зависит от взаимоориентации магнитных моментов обмоток).

Первые два слагаемых выражения (4) практически не зависят от перемещения подвижной обмотки, поэтому дифференцирование по формулам (1) дает результаты:

(5)

Исключение составляет вариант 2б, где нужно учитывать изменение индуктивности подвижной обмотки, но данный случай имеет ограниченное практическое применение. Наибольшее применение для измерительных преобразований имеют зависимости Мв(I1I2), Mв(cos j), Mв(I1I2 cos j).


Различные варианты магнитоэлектрического взаимодействия можно получить заменой постоянным магнитом ферромагнитного сердечника рис. 1 или одной из обмоток с током (электромагнита) рис. 2. На рис. 3 показан наиболее важный случай взаимодействия.

Выражение, описывающее данное взаимодействие, может быть получено из (5) формальной заменой I1=I; I2×dM12=dY. Здесь Y - потокосцепление поля постоянного магнита с обмоткой. Обычно обеспечивается однородность поля магнита в плоскости витков обмотки. В этом случае:

(6)

где I, w, Sсила тока, число витков и площадь подвижной обмотки; B - индукция в воздушном зазоре магнитопровода; a - угол между плоскостью витков и линиями индукции (параллельны А1А2 - рис.3).

Наибольшее значение для измерительных преобразований имеют зависимости Мв(I), Mв(В).

2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

2.1. В чем общность физической сущности магнитоэлектрического, индукционного, электродинамического, электромагнитного взаимодействий?

2.2. Как определить направление силы и момента вращения?

2.3. Дать определение и физическое толкование величин L и М12.

2.4. Почему магнитопровод увеличивает F и Мв?

2.5. Какие из рассмотренных взаимодействий реализуются на постоянном, переменном, постоянном и переменном токах?

2.6. В каком положении подвижного элемента рис. 1, 2, 3 значения F и Мв максимальны (минимальны)?

3. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с физическими основами электромеханических измерительных преобразований, вариантами их практической реализации. Экспериментально проверить функции преобразования для случаев электромагнитного, электродинамического, магнитоэлектрического взаимодействий.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

4.1. Проверить экспериментально функцию преобразования (3), описывающую электромагнитное взаимодействие.

4.2. Проверить экспериментально функцию преобразования (5), описывающую электродинамическое взаимодействие.

4.3. Проверить экспериментально функцию преобразования (6), описывающую магнитоэлектрическое взаимодействие.

5. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

Основой лабораторного макета является электромагнит - неподвижная обмотка с магнитопроводом из феррита. Магнитопровод имеет воздушный зазор, в котором размещается или ферритовый сердечник (исследование электромагнитного взаимодействия) или подвижная обмотка (исследование электродинамического и магнитоэлектрического взаимодействий). Сердечник и подвижная обмотка закреплены на осях, вращающихся в специальных опорах с токосъемами для питания обмотки. На каждой из осей имеются стрелка для отсчета угла поворота и коромысло для крепления грузика, создающего противодействующий момент. На одной из боковых сторон корпуса макета расположены гнезда для подключения неподвижной обмотки w1, на другой - гнезда для подключения подвижной обмотки w2 и потенциометр для регулирования тока этой обмотки I2 . Необходимые для исследований преобразований постоянные и переменные питающие напряжения снимаются с выходных клемм коммутационно-измерительной панели (КИП). На этой же панели расположены переключатель и амперметр для регулирования и измерения тока неподвижной обмотки I1. Измерение I2, более точное измерение I1, а также необходимое по ходу исследований измерение напряжений осуществляется универсальным цифровым вольтметром В7-16 (В7-16А). При измерении тока вольтметром используется добавочный образцовый резистор R0=1 Ом. Измерение индуктивности осуществляется прибором Е7-2 (Е7-8).

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

6.1. Для экспериментальной проверки функции преобразования, соответствующей электромагнитному взаимодействию, используется схема рис.4.

Измерение Мв может быть осуществлено путем уравновешивания его известным противодействующим моментом Мпр ,создаваемым грузиком массой m =(640; 670; 760; 910) мг на плече l =15 мм. Изменение Мв для достижения равновесия осуществляется изменением тока I с помощью переключателя на КИП. В состоянии равновесия:

Мпр = m g l×cos a , (7)


где g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести; a -угол по шкале макета.

Измерение I осуществляется по падению напряжения на образцовом резисторе. Для определения значения входящей в выражение (3) величины

сначала с помощью измерителя индуктивности снимается зависимость L(a) в интервале a = (-15...+15)°, а затем графически находится значение производной для значения a, соответствующего положению равновесия моментов. Далее по формуле (3) рассчитывается значение Мв и определяется относительная погрешность преобразования g. В качестве действительного значения результата преобразования берется в данном случае значение Мпр :

(8)

6.2. Для экспериментальной проверки функции преобразования, соответствующей электродинамическому взаимодействию используется схема рис. 5.

Измерение Мв может быть осуществлено путем уравновешивания его известным противодействующим моментом Мпр , создаваемым грузиком массой m = (640; 670; 760; 910) мг на плече l =15мм. Изменение Мв для достижения равновесия осуществляется грубо изменением токов I1 и I2 переключателем на КИП и плавно - потенциометром Rд ,расположенным на боковой стенке макета. Значение Мпр в положении равновесия определяется по формуле (7). Значения токов I1 и I2, необходимые для определения Мв измеряются с помощью соответственно амперметра КИП и по падению напряжения на образцовом резисторе R0. Для определения значения входящей в выражение (5) величины dM12/da сначала снимается зависимость М12(a) в интервале a = (-15...+15)°, а затем графически находится значение производной для значения a, соответствующего положению равновесия моментов. Схема измерения M12 представлена на рис. 6. В данном случае обмотка w1 запитывается синусоидальным током частоты f = 1 кГц. Действующее значение эдс Е2 второй обмотки w2 связано при таком питании с M12 соотношением:

(9)

где w = 2 p f - угловая частота тока.

Измерение I1 осуществляется по падению напряжения на образцовом резисторе R0.

Рассчитанное по формуле (5) значение Мв сравнивается с действительным значением результата преобразования, в качестве которого берется значение Мпр, определяется погрешность преобразования по формуле (8).

6.3. Экспериментальную проверку функции преобразования, соответствующей магнитоэлектрическому взаимодействию, можно осуществить с использованием схем и методик измерения раздела 6.2 если условно считать поле постоянного тока обмотки w1 эквивалентным полю некоторого постоянного магнита. В соответствии с этим, сначала по описанной в разделе 6.2 методике определяются Мпр , уравновешивающий Мв , а также значения токов I1 и I2 = I, соответствующие положению равновесия. Далее по формуле (6) находится расчетное значение Мв. Необходимые для расчета Мв параметры подвижной обмотки: число витков w2 = 250; диаметр среднего витка dср = 27 мм. Значение индукции B, входящей в выражение (6), может быть определено с использованием схемы рис. 6 методом пропорцианального пересчета, физической основой применения которого является линейная в диапазоне измерений зависимость индукции магнитного поля от напряженности поля (тока) полезадающей обмотки w1. Коэффициент пропорцианальности между током I1 и индукцией В удобно находить на переменном токе, поскольку в этом случае можно использовать индукционное преобразование. Роль индукционной обмотки выполняет подвижная обмотка w2, ориентируемая под некоторым углом 5°£ a £ 15° к линиям индукции магнитного поля, параллельным А1А2 (рис. 3). В соответствии с функцией индукционного преобразования действующее значение индукции переменного магнитного поля B* связано с действующим значением наводимой в обмотке эдс Е2 и параметрами обмотки следующим образом: