manuale della misurazione magnetica

MILANO
BARCELONA
PARIS
MANUALE DELLA
MISURAZIONE
MAGNETICA
Calamit S.r.l.
Via Romagna, 35
20093 Cologno Monzese - MI
Tel. +39 02.25391445
Fax +39 02.25391409
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AVVERTENZA GENERALE PER LA SICUREZZA
Molte procedure in questa manuale possono esporre il lettore a voltaggi potenzialmente rischiosi. Per
evitare l'eventualità di shock elettrico, si devono osservare tutte le norme e le precauzioni
fondamentali relative ai lavori intorno ad alti voltaggi.
Si deve prestare un'attenzione particolare quando si effettuano misurazioni di campo all'interno
d’impianti avvolti da fili metallici. La sonda o il fascio di bobine di ricerca che fuoriesce dall'impianto
avvolto aggira tutti i dispositivi di blocco di sicurezza dell'impianto stesso e potrebbe agire da
conduttore di voltaggi letali.
Ciò è soprattutto rischioso se vengono usati impianti avvolti da fili che non sono forniti di adeguati
dispositivi di blocco di sicurezza.
Per ulteriore sicurezza e per prevenire danni agli occhi, si devono sempre indossare occhiali di
protezione durante le misurazioni magnetiche che comportano alti voltaggi, alte correnti o campi
magnetici molto forti.
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INDICE
Capitolo 1.
Informazioni generali
• Introduzione
• Metodi di misurazione magnetica
• Terminologia magnetica
• Termini e definizioni magnetiche
Capitolo 2.
Gaussmetri a effetto Hall
• Introduzione
• Storia dell'effetto Hall
• Come funziona un sensore Hall
• Sonde a effetto Hall
• Sonde di campo trasversale
• Sonde di campo assiale
• Gaussmetri base a effetto Hall
• Gaussmetri pratici a effetto Hall
Capitolo 3.
Applicazioni del Gaussmetro
• Introduzione
• Verifica dei magneti ad U e a C
• Verifica degli assemblaggi di magneti di campo assiale
• Verifica degli assemblaggi di magneti rotanti
• Analisi degli assemblaggi magnetici
• Misurazione di campi magnetici a impulsi
• Verifica dell'efficienza dei componenti magnetici di protezione
• Misurazione delle dispersioni magnetiche nei trasformatori
• Misurazione della corrente nei conduttori
• Test di permeabilità relativa
• Misurazione della densità del flusso nel traferro amplificatore
• Uso del Gaussmetro in un sistema automatico di lavorazione del magnete
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CAPITOLO 1
INFORMAZIONI GENERALI
INTRODUZIONE
Questo manuale descrive alcune delle applicazioni più utili delle misurazioni magnetiche. Le
informazioni di questo manuale sono finalizzate ad assistere il lettore nella scelta degli strumenti e dei
metodi per eseguire le verifiche necessarie nel miglior modo possibile.
È dedicato esclusivamente alle misurazioni eseguite con l’utilizzo di gaussmetri a effetto Hall e
flussometri elettronici. I flussometri e i gaussmetri Dowty RFL, rappresentano gli strumenti attualmente
disponibili.
Questo manuale include la teoria e un insieme di informazioni storiche che permetteranno allo
studente, al tecnico o al ricercatore di capire i concetti basilari del magnetismo in generale e le
misurazioni magnetiche in particolare. Utilizzando le informazioni contenute in questo manuale, le
misurazioni magnetiche potranno essere eseguite in modo semplice e accurato, col minimo impiego di
apparecchiature. Le informazioni di questa manuale sono state raccolte in trent'anni di pratica attiva
nella misurazione dei campi magnetici. I metodi descritti permettono la misurazione di campi generati
da corrente alternata, da impulsi o da campi statici prodotti da fonti c.c. o magneti permanenti.
L'ampiezza può variare da alcuni gamma a livelli oltre 100.000 oersteds.
Una conoscenza base delle tecniche della misurazione magnetica è essenziale per il tecnico progettista
che ha a che fare con prodotti che utilizzano concetti magnetici. Caratteristiche magnetiche come i
campi di dispersione e la riluttanza congiunta non si calcolano in modo semplice; se possono essere
misurate, la progettazione finale diventerà più efficiente. Inoltre, la verifica della produzione può essere
eseguita in modo più accurato se i metodi di verifica sono compatibili con la progettazione.
METODI DI MISURAZIONE MAGNETICA
Per effettuare misurazioni magnetiche precise e accurate in condizioni di laboratorio, nel secolo
scorso erano a disposizione alcune apparecchiature. I fisici di fine '800 utilizzarono i concetti sviluppati
in precedenza da Gauss, Oersted e Helmholtz per arrivare a risultati straordinari, considerata la
limitata strumentazione a disposizione a quel tempo. Quando l'uso di dispositivi elettrici si diffuse nella
società industriale in rapida espansione del XIX secolo, divenne necessario l'impiego di materiali
magnetici migliori e crebbe anche l'esigenza di verifiche.
II primo strumento usato per la misurazione dei campi magnetici fu il "magnetometro a bussola"
messo a punta da Karl Gauss nel 1830. La tecnica consisteva semplicemente nel confrontare l'effetto di
campi di magnetite o di magneti permanenti sull'ago della bussola, usando come valore di riferimento
la componente orizzontale del campo della terra. Benché non altamente sofisticato, il magnetometro a
bussola fu un punto di partenza; variazioni su questa tecnica vengono utilizzate ancora oggi.
L'introduzione del galvanometro balistico all'inizio del nuovo secolo segna la nascita della tecnologia
della misurazione magnetica come la conosciamo oggi.
Oggi abbiamo a disposizione un'ampia gamma di strumenti per la misurazione magnetica, tra cui il
magnetometro a flusso, il gaussmetro a risonanza magnetica nucleare (NMR), il magnetometro a
pompa ottica, il gaussmetro a magnete permanente, il magnetometro con dispositivo superconduttore
dell'interferenza del quanta (SQUID), il flussometro elettronico integrato e il gaussmetro a effetto Hall.
In generale i magnetometri sono usati soprattutto nell'esplorazione geofisica, nei sistemi di guida dei
missili e nel materiale militare a influenza magnetica. I gaussmetri NMR sono usati principalmente
quando si esige un'accuratezza estrema; essi producono eccellenti modelli di riferimento. I gaussmetri
a effetto Hall e i flussometri elettronici sono usati soprattutto per misurare campi magnetici di magneti
permanenti e i loro effetti sui materiali ferrosi.
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TERMINOLOGIA MAGNETICA
Il magnetismo non e diverso da altre tecnologie ad alto livello nel fatto di avere un proprio
linguaggio. La conoscenza dei termini è essenziale per capire il significato e i risultati delle misurazioni
magnetiche eseguite.
Il sistema di unita CGS (centimetro-grammo-secondo) fu usato per molti anni come base per quasi
tutte le misurazioni magnetiche. Recentemente il SI (Sistema Internazionale) o MKS razionalizzato
(metro-chilogrammo-secondo) e stato proposto come l'unico metodo per esprimere le quantità
magnetiche. Tuttavia, il sistema CGS e molto diffuso e ha delle caratteristiche che lo rendono
preferibile al SI. Per questo motivo il sistema CGS è ancora largamente adottato ed è il sistema
preferito in molte applicazioni pratiche
E' più semplice esprimere molte proprietà magnetiche nel sistema CGS che nel sistema SI. Per
esempio, in entrambi i sistemi la permeabilità viene definita come B/H. Nel sistema CGS questa è
espressa come gauss/oersted, mentre nel sistema SI si evolve in
(weber/metro)
(amperespira/metro)
L'espressione delle misurazioni magnetiche nell’unità SI è il metodo preferito in quasi tutti i college e le
università, mentre l'industria tende a mantenere il sistema CGS. Questo manuale esprimerà le quantità
magnetiche in unita CGS; la Tabella 1 mette a confronto le unita di misura di ciascun sistema.
TAB. 1
QUANTITÀ E
SIMBOLO
Corrente elettrica (I)
Densità di flusso
Forza
Intensità di magnetizzazione (J)
Lunghezza (l)
Costante magnetica (uo) [4]
Momento di dipolo magnetico (J)
Forza del campo magnetico (H)
Flusso magnetico (o)
Forza del polo magnetico (p)
Forza magnetomotrice (F)
Massa
Permeabilità assoluta (u) [7]
Permeabilità relativa (u) [8]
Permeabilità [9]
Potenza (P)
Riluttanza (Rm)
Suscettività [10]
Temperatura (T)
Tempo (t)
Lavoro o energia
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
UNITÀ CGS
E SIMBOLO
abampere
gauss (G)
dina (dyn)
e.m.u. [2]
centimetro (cm)
(unita)
e.m.u.[5]-Wbm [6]
oersted (De)
maxwell
e.m.u.
gilbert (Gb)
grammo (g)
maxwell/gilbert
erg/secondo
gilbert/maxwell
e.m.u.
gradi Celsius (°c)
secondi (s)
erg
UNITÀ SI E SIMBOLO
ampere (A)
tesla (T) [1]
newton (N)
tesla (T) [3]
metro (m)
henry/metro (H/M)
weber metro
ampere/metro (A/m)
weber (Wb)
weber (Wb)
ampere (A)
Chilogrammo (Kg)
henry/metro (H/m)
henry (H)
watt (W)
l/henry (H-1)
rapporto
Kelvin (K)
secondi (s)
joule (j)
Uguale a webers per metro quadrato.
Uguale a G/4∏ o dyn/cm2 Oe.
Uguale a N/Am.
Uguale alla permeabilità dello spazio.
Uguale a dyn. cm/Oe.
Uguale a Nm2/A.
Uguale a B/H.
Uguale a B/uoH.
Inverso alla riluttanza.
Volume relativo espresso come una percentuale, uguale a J/uoH.
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RAPPORTO
SI/CGS
10-1
104
106
104/4∏
102
107/4∏
1DI0/4∏
4∏/103
108
108/4∏
4∏/10
103
107/4∏
1
109/4∏
107
4∏/109
1/4∏
K=°C+273.16
1
107
TERMINI E DEFINIZIONI MAGNETICHE
Di seguito sono elencati alcuni dei termini magnetici più comuni. Un elenco più ampio e dettagliato si
può trovare in:
ASTM Designation A340-77, "Standard Definitions of Terms, Symbols and Conversion Factors Relating
To Magnetic Testing", 1977.
AMPERSPIRA/METRO A/m
l’unità SI della forza magnetizzante o la forza del campo magnetico.
ANCORA
uno o più conduttori magnetici usati per chiudere un circuito magnetico. Di solito usati per proteggere
magneti permanenti o assemblaggi magnetici da influenze demagnetizzanti quando l'assemblaggio non
viene usato. Può servire anche a minimizzare la dispersione.
AREA DEL TRAFERRO Ag
L'area della sezione trasversale del traferro perpendicolare alla traiettoria del flusso e misurata in
centimetri quadrati in un punta normale alla linea centrale di flusso.
AREA MAGNETICA Am
l'area trasversale del magnete perpendicolare alla linea di flusso centrale, misurata in centimetri
quadrati in ogni punta lungo la sua lunghezza. Per motivi di progettazione, questa è di solito
considerata L’area nella sezione neutra del magnete.
BOBINA DI RICERCA
un conduttore ad avvolgimento usato come elemento rilevatore per un flussometro. L'area e il numero
di spire della bobina di solito sono conosciute; quest'informazione viene usata per misurare i
cambiamenti di trasmissione del flusso.
CICLO DI ISTERESI
la rappresentazione grafica della relazione tra i valori dell'induzione magnetica (B) e la forza
magnetizzante (H) per un materiale ferroso o magnetico. Spesso è chiamato ciclo "B-H".
CICLO MAGGIORE DI ISTERESI
il ciclo chiuso ottenuto quando un materiale magnetico viene ciclizzato tra la saturazione positiva e
negativa.
CIRCUITO APERTO
una condizione che si verifica quando un oggetto magnetizzato è da solo, senza alcuna traiettoria di
flusso esterna di materiale ad alta permeabilita.
CIRCUITO CHIUSO
una condizione che esiste quando il tratto di flusso esterno di un magnete permanente confina con
materiale ad alta permeabilita.
COEFFICIENTE DI TEMPERATURA
un fattore che descrive il cambiamento reversibile in una proprietà magnetica rispetto alla temperatura
dell'ambiente. La proprietà magnetica tornerà al suo valore originario quando la temperatura
dell'ambiente torna normale. I coefficienti di temperatura sono espressi di solito come il valore del
cambiamento per unita di temperatura.
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COEFFICIENTI DI TEMPERATURA REVERSIBILI
cambiamenti temporanei nel flusso che si verificano quando varia la temperatura dell'ambiente.
Quando la temperatura dell'ambiente ritorna normale, il flusso tornerà al suo valore originario.
COERCIZIONE
la proprietà del materiale magnetico che è funzione del massimo valore della sua forza coercitiva. Un
materiale ad alta coercizione è un materiale con un'alta forza coercitiva.
CURVA DEL PRODOTTO DI ENERGIA
la rappresentazione grafica dell'energia esterna prodotta da un magnete permanente. E' funzione della
densità del flusso e della forza demagnetizzante visibile nella curva di demagnetizzazione (BdHd)
tracciata contro L’induzione Bd.
CURVA DI DEMAGNETIZZAZIONE
il secondo o il quarto quadrante del maggiore ciclo di isteresi. I punti su questa curva sono designati
dalle coordinate Bd e Hd.
DEMAGNETIZZAZIONE
la parziale o completa rimozione del magnetismo residuo da un corpo.
DOMINIO MAGNETICO
i dipoli magnetici di dimensioni molecolari che determinano le caratteristiche magnetiche di un
magnete permanente.
ELETTROMAGNETE
un magnete temporaneo, di solito formato da una bobina di filo metallico avvolto attorno ad un nucleo
di materiale magnetico morbido (come il ferro). Un elettromagnete produce un campo magnetico solo
quando si fa passare la corrente elettrica attraverso la bobina.
FATTORE DI DISPERSIONE - F
giustifica la dispersione di flusso dal circuito magnetico. E' il rapporto tra il flusso magnetico nella
sezione neutra del magnete e il flusso medio presente nel traferro.
FLUSSO DI DISPERSIONE
la parte di un campo magnetico al di fuori del circuito magnetico utile o designato; misurata in
maxwells.
FLUSSO MAGNETICO - Ø
l'indicazione fisica di una condizione magnetica esistente in un materiale o in un mezzo soggetto ad
un'influenza magnetica. Può essere paragonato al flusso di corrente in un circuito elettrico. L’unità CG8
per il flusso magnetico e il maxwell (M); l’unità SL e il weber (Wb).
FLUSSOMETRO
uno strumento che usa una bobina di ricerca per misurare i cambiamenti del flusso concatenato.
FORZA COERCITIVA - Hc
la forza demagnetizzante necessaria per ridurre l’induzione residua (Br) a zero in un campo magnetico
dopo la magnetizzazione a saturazione, misurata in oersteds.
FORZA COERCITIVA INTRINSECA - Hci
un'indicazione della resistenza di un materiale alla demagnetizzazione. E' uguale alla forza
demagnetizzante che riduce l'induzione intrinseca di un materiale saturo (Bi) a zero; misurata in
oersted.
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FORZA OJ CONTRACCOLPO - Hm
la quantità di forza di un campo magnetico corrispondente all'induzione del contraccolpo (Bm);
misurata in oersteds.
FORZA DI UN CAMPO MAGNETICO - H
una misura della quantità magnetica vettoriale che determina la capacita di una corrente elettrica di un
corpo magnetico di indurre un campo magnetico in un dato punto; misurata in oersteds.
FORZA MAGNETIZZANTE NETTA EFFETTIVA - H
la forza magnetizzante necessaria a saturare un materiale magnetico; misurata in oersteds.
FORZA MAGNETOMOTRICE - F
l'integrale di linea della forza di campo (H) tra due punti qualsiasi. Questa è la forza che tende a
produrre un campo magnetico, espressa in gilberts nel sistema CGS e in amperspire nel SI.
FORZA MASSIMA DI CAMPO
la quantità di forza del campo magnetico che corrisponde al prodotto massimo di energia (BH) max;
misurata in oersteds.
FORZA RIMANENTE - Hd
la quantità di forza di un campo magnetico corrispondente all'induzione rimanente (Bd); misurata in
oersteds.
GAMMA
l’unità CGS di basso livello di densità del flusso; 100.000 gamma equivalgono ad un oersted.
GAUSS
l’unità CGS di induzione magnetica (Densità del flusso). Un gauss equivale ad un maxwell per
centimetro quadrato.
GAUSSMETRO
uno strumento che misura il valore istantaneo dell'induzione magnetica (B). I gaussmetri di solito
usano per il loro funzionamento sia l’effetto Hall, sia la risonanza magnetica nucleare (NMR), sia il
principio della bobina rotante.
GILBERT
l’unità CGS di forza magnetomotrice. Un gilbert equivale alla quantità di forza necessaria a produrre un
maxwell di flusso in un circuito magnetico con riluttanza unitaria.
INCLINAZIONE DELLA LINEA DI FUNZIONAMENTO • Bd/Hd
il rapporto tra induzione rimanente e forza demagnetizzante. E' chiamato anche "coefficiente di
permanenza", "linea di taglio", "linea di carico" e "permanenza dell'unità".
INDUZIONE DI CONTRACCOLPO - Bm
l'induzione magnetica che rimane in un materiale magnetico dopo la magnetizzazione e il trattamento
per l’uso finale; misurata in gauss.
INDUZIONE INTRINSECA DI SATURAZIONE - Bis
la massima induzione intrinseca possibile in un materiale.
INDUZIONE INTRINSECA - BI o J
il contributo del materiale magnetico all'induzione magnetica totale (B). E' la differenza vettoriale tra
l’induzione magnetica nel materiale e l’induzione magnetica che esisterebbe in un vuoto sotto la stessa
forza di campo (H). Questa relazione si esprime sottraendo il valore di H dal valore di B.
INDUZIONE MAGNETICA - B
il campo magnetico indotto in un magnete o materiale ferroso da una forza magnetizzante, H. L’unità
CGS per l’induzione magnetica è il gauss; l’unita SI è il tesla. Il fenomeno di induzione è una funzione
della permeabilità del materiale e della forza magnetizzante applicata. L'induzione magnetica e la
somma vettoriale (in ciascun punta all'interno del materiale) della forza del campo magnetico e
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dell'induzione intrinseca risultante, ed è espressa come la quantità di flusso per area unitaria normale
alla direzione della traiettoria magnetica. E' chiamata anche "densità del flusso magnetico".
INDUZIONE MAGNETICA MASSIMA - Bo
l'induzione magnetica nel punto del massimo prodotto di energia (BH) max; misurata in gauss.
INDUZIONE MAGNETICA NEL TRAFERRO - Bg
il valore medio di induzione magnetica nell'area del traferro, o l’induzione magnetica misurata in un
determinato punto del traferro; misurata in gauss.
INDUZIONE RESIDUA - Br
l'induzione magnetica corrispondente a forza magnetizzante zero in un materiale magnetico dopo la
saturazione in un circuito chiuso, misurata in gauss. E' chiamata anche "densità di flusso".
LINEA DI FUNZIONAMENTO
una linea retta che attraversa l’origine di una curva di demagnetizzazione di un magnete permanente,
con un'inclinazione di Bd/Hd negativa; chiamata anche "linea del coefficiente di permanenza".
LUNGHEZZA DEL MAGNETE - Lm
la lunghezza totale del materiale magnetico attraversata in una rivoluzione completa della linea
centrale del circuito magnetico; misurata in centimetri.
LUNGHEZZA DEL TRAFERRO - I g
la lunghezza del tratto della linea centrale di flusso del traferro; misurata in centimetri.
MATERIALE A BASSO PRODOTTO DI ENERGIA
materiale ferromagnetico a basso prodotto di energia e che si demagnetizza facilmente. E' chiamato
anche materiale magnetico "morbido".
MATERIALE ANISOTROPO
materiale con un asse di magnetizzazione privilegiato. Questa caratteristica si produce durante la
lavorazione tramite l’orientamento della struttura cristallina e/o l’accrescimento del campo magnetico.
E' chiamato anche "materiale orientato".
MATERIALE DIAMAGNETICO
materiale con una permeabilità inferiore a quella di un vuoto.
MATERIALE FERROMAGNETICO
materiale che presenta fenomeni di isteresi e la cui permeabilità dipende da una forza magnetizzante
applicata.
MATERIALE ISOTROPO
un materiale che ha proprietà magnetiche uguali in tutte le direzioni. E' chiamato anche "materiale non
orientato".
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MATERIALE PARAMAGNETICO
materiale con una permeabilità leggermente superiore a quella di un vuoto.
MATERIALI MAGNETICI DURI
materiali che tendono a resistere alla demagnetizzazione una volta magnetizzati. Tutti i materiali di
magnete permanente sono considerati "duri". Sono chiamati anche "prodotti ad alta energia"
MATERIALE MAGNETICO MORBIDO
materiale ferromagnetico che si demagnetizza molto facilmente; materiali a bassa coercizione, come gli
acciai posati di nuovo.
MAXWELL
l’unità CGS del flusso magnetico. Un maxwell equivale ad una linea di flusso magnetico.
OERSTED
l’unità CGS di forza del campo magnetico (H). Un oersted equivale alla forza magnetomotrice di un
gilbert per centimetro di traiettoria di flusso.
PERDITA DEL NUCLEO
la potenza impiegata (come calore) in un materiale magnetico o ferroso quando e soggetto ad una
variazione della forza magnetizzante. Espressa in watts/libbre di materiale.
PERDITA DI CORRENTE PARASSITA
la parte di perdita del nucleo in un materiale, dovuta a correnti circolanti che risultano da un flusso
elettromagnetico indotto da induzione magnetica variabile. Un materiale altamente conduttivo sosterrà
una corrente parassita più forte per un periodo di tempo relativamente lungo, mentre la corrente
parassita in conduttori elettrici scarsi è più debole e tende a ridursi rapidamente, ammesso che esista.
PERDITE IRREVERSIBILI
demagnetizzazione parziale di un magnete causata dall'esposizione ad alte o basse temperature, campi
esterni, o altri fattori. Queste perdite si possono recuperare tramite rimagnetizzazione. I magneti si
possono stabilizzare contro perdite irreversibili tramite demagnetizzazione parziale indotta da cicli di
temperatura o da campi magnetici esterni.
PERMEABILITÀ DI CONTRACCOLPO - URE
l’inclinazione media del ciclo di isteresi di contraccolpo. E' chiamata anche "ciclo minore".
PERMEABILITÀ INIZIALE:
l'inclinazione della curva di induzione normale di un materiale a forza magnetizzante zero. (vedi anche
"permeabilità).
PERMEAMETRO
uno strumento che può misurare (e spesso registrare) le caratteristiche magnetiche di un campione.
PERMEANZA - P
misurato in maxwells per gilbert è il reciproco della R.
PERMEABILlTÀ - µ
termine generale usato per esprimere varie relazioni tra induzione magnetica (B) e forza di campo (H).
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PRODOTTO DI ENERGIA - BdHd
la quantità di energia che un materiale magnetico può fornire ad un circuito magnetico esterno
operando su qualunque punta della sua curva di demagnetizzazione; misurata in megagauss-oersteds.
PRODOTTO MASSIMO DI ENERGIA - (BH) max
il prodotto massimo di (BdHd) che si può ottenere sulla curva di demagnetizzazione.
PUNTO DI CURIE - Tc
la temperatura di transizione oltre la quale un materiale perde le sue proprietà magnetiche.
PUNTO DI FUNZIONAMENTO
il punto su una curva di demagnetizzazione di un magnete permanente definito dalle coordinate Bd e
Hd, o il punto all'interno della curva di demagnetizzazione definito dalle coordinate Bm e Hm.
RAPPORTO LJO
il rapporto tra la lunghezza di un magnete e il suo diametro, o il diametro di un cerchio con area
trasversale equivalente. Per geometrie semplici come le barre e le aste, il rapporto dimensionale è
collegato all'inclinazione della linea di azione del magnete (Bd/Hd).
RILUTTANZA - R
quantità che determina la portata di flusso magnetico prodotta da una forza magnetomotrice f.
L'inverso della permeanza, è espressa dall'equazione R = F/0 e misurata in gilberts-permaxwell nel
sistema CGS e in amperspire-per-weber nel SI.
RILUTTANZA CONGIUNTA
la resistenza alla conduzione di un campo magnetico causata da collegamenti o interruzioni in un
circuito magnetico. In pratica, un traferro che causa degrado nella densità del flusso disponibile nel
traferro di funzionamento dell'assemblaggio magnetico.
RIMANENZA - Bd
l'induzione magnetica che rimane in un circuito magnetico dopo la rimozione di un campo magnetico
saturante applicato. Se il circuito incorpora un traferro, la rimanenza sarà inferiore all'induzione
residua. E' chiamata anche "induzione rimanente".
RITENTIVA
la capacità o l’incapacità di un materiale di conservare magnetismo dopo che la forza magnetizzante
viene rimossa.
SATURAZIONE MAGNETICA
una condizione che si verifica quando un aumento della forza magnetica (H) non causa un aumento
nell'induzione magnetica intrinseca (B). Quando esiste questa condizione, il magnete è completamente
carico.
SEZIONE NEUTRA
la porzione di un magnete permanente definita da un piano che passa attraverso il magnete
perpendicolare alla sua linea centrale nel punto massimo di flusso.
STABILIZZAZIONE
il trattamento di un materiale magnetico affinché ottenga un livello magnetico desiderato e/o
raggiunga qualche grado di permanenza di quel livello. La stabilizzazione può consistere nel trattare
l’assemblaggio magnetico con un campo magnetico esterno o con uno shock o una vibrazione fisica o
con temperature estreme o con una qualunque combinazione di questi fattori. (Vedi anche
"Trattamento del magnete")
TEMPERATURA MASSIMA DI SERVIZIO - Tmax
la temperatura massima alla quale si può sottoporre un magnete senza causare cambiamenti
permanenti della sua stabilità o integrità strutturale.
TRATTAMENTO DEL MAGNETE
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l'atto di ridurre magneticamente l’induzione residua in un assemblaggio magnetico per ottenere un
livello di densità di flusso desiderata nel suo traferro di lavorazione. Questo serve anche a proteggere
l’assemblaggio da influenze esterne di livelli predeterminati che altrimenti tenderebbero a ridurre
l’induzione residua del magnete. (Vedi anche "stabilizzazione")
TRAFERRO
la parte di un circuito magnetico che non contiene materiale ferroso o magnetico; questa e la parte del
circuito magnetico dove si verificherà l’azione magnetica desiderata.
VOLUME DEL TRAFERRO - Vg
il volume utile d'aria o di materiale non magnetico tra i poli magnetici; misurato in centimetri cubici.
WEBER - Wb
L’unità SL del flusso magnetico
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CAPITOLO 2
GAUSSMETRI A EFFETTO HALL
INTRODUZIONE
In questo capitolo saranno trattati i princìpi che sono alla base dell'effetto Hall e delle sonde.
Questi dispositivi hanno trovato larga applicazione in industrie e laboratori poiché consentono
operazioni accurate ad un costo relativamente basso.
STORIA DELL’EFFETTO HALL
Il principio dell'effetto Hall è conosciuto da molti anni. Fu scoperto nel 1879 da E.W. Hall, lo
scienziato americano da cui l’effetto prende il nome. Come succede per molte scoperte e invenzioni
scientifiche, esso non poté essere sfruttato appieno nel periodo in cui fu scoperto, a causa della
mancanza di materiali adatti. Materiali come il bismuto o il germanio si dimostravano promettenti come
generatori dell'effetto Hall, ma la loro bassa temperatura causava instabilità che ne limitava l’uso. Lo
sviluppo di nuovi composti a stato solido come l’indio arseniuro (InAs) ha consentito la fabbricazione di
sensori Hall stabili, compatti ed economici.
COME FUNZIONA UN SENSORE HALL
Quando una corrente elettrica corre attraverso un conduttore o un semiconduttore, si sviluppa
un voltaggio ad angoli retti rispetto al flusso di corrente quando si applica un campo magnetico
perpendicolare al piano della corrente e all'asse di voltaggio. Nei sensori Hall, l’ampiezza del voltaggio
generato e regolato dalla forza del campo magnetico, dall'ampiezza della corrente applicata e da una
costante (chiamata costante Hall) che è funzione della mobilità degli elettroni del materiale. La
costante Hall per conduttore puro e molto bassa, mentre quella per alcuni elementi puri e alcune leghe
e relativamente alta.
Alcuni materiali, pur avendo qualità eccellenti di costante Hall, possono avere altre caratteristiche che
limitano il loro uso come componenti per le misurazioni magnetiche. Per esempio, l’indio antinomide ha
una costante Hall molto alta, ma ha anche un coefficiente di temperatura molto alto. Molti sensori Hall
di oggi utilizzano elementi fabbricati con l’indio arseniuro e il fosfuro di indio arseniuro, a causa della
loro alta mobilità degli elettroni e della bassa sensibilità alla temperatura. Un tipico sensore Hall può
avere un coefficiente di temperatura dell'ordine di 0,1 % °C.
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Un buon generatore Hall deve consentire una potenza emf utilizzabile (voltaggio Hall) con una corrente
motrice ragionevole. Troppa corrente motrice può causare riscaldamento del sensore, che comporterà
errori di misurazione dovuti agli effetti della temperatura. La relazione tra le caratteristiche fisiche ed
elettriche di un sensore Hall è espressa dalla seguente equazione:
Hi
e= K ----d
dove:
e = voltaggio Hall (potenza)
k = costante Hall del materiale
H = campo magnetico applicato
i = corrente motrice
d = spessore dell’elemento
FIG. 1
La Figura 1 rappresenta un tipico sensore Hall e la relazione tra i parametri individuali.
Probabilmente l'attributo più importante del sensore Hall è la sua capacità di misurare campi magnetici
rimanendo in una posizione statica. Non serve alcun movimento del sensore perché esso esegua la sua
funzione di misurazione.
SONDE A EFFETTO HALL
Un sensore Hall base e molto sottile e fragile 1,02 mm x 2,5 mm. Molti sensori di misurazione di
qualità vengono intagliati da cristalli InAs prodotti in una fornace. Essi vengono poi molati e smerigliati
e quindi montati su una base. Se necessario vengono attaccati dei piombi. In alcuni casi il materiale
sensorio viene vaporizzato e depositato su una base secondo la configurazione prescelta. Di solito
viene usato l’ossido di alluminio come substrato. Questo tipo di fabbricazione fa sì che il sensore abbia
un'impedenza superiore a quella ottenuta con materiale a base cristallina.
Montare il sensore scoperto su di una base accresce le sue caratteristiche fisiche, ma non lo protegge
dall'abrasione o da altri effetti dell'uso normale. Di solito l’elemento è protetto da un manicotto esterno
di fibra di vetro, fenolico o metallo.
Le sonde Hall con fibra di vetro o coperture di fenolico di solito sono da preferirsi a sonde contenenti
ottone o altre componenti metalliche quando si effettuano misurazioni magnetiche in vicinanza di
circuiti sotto tensione. In questo caso si evitano rischi di shock o danni all'apparecchiatura. Mentre
l'incapsulamento del sensore non garantisce contro il danno fisico del sensore, la costruzione semi
flessibile delle sonde piatte rappresenta una protezione maggiore dalle sollecitazioni alla curvatura cui
è soggetta una struttura rigida. Bisogna ricordare che una volta incrinato, un sensore Hall non si può
riparare.
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SONDE DI CAMPO TRASVERSALE
Le sonde di campo trasversali o sonde Hall piatte servono in primo luogo a misurare campi in
assemblaggi magnetici che comprendono facce di polo parallele nei loro traferri di funzionamento.
Tuttavia, le sonde piatte possono essere usate anche per altri scopi, come la misurazione di campi di
dispersione, la determinazione della presenza e del livello di campi trasversali in un campo magnetico
orientato in senso assiale, e di fatto qualsiasi altra applicazione che sia idonea fisicamente. La
superficie di misurazione è perpendicolare all'area piatta della sonda. Se il campo non è perpendicolare
a questa superficie, gli errori di misurazione aumentano. Deviazioni inferiori a 8 gradi causeranno errori
inferiori all'1%, quindi bisogna prestare grande attenzione per prevenire errori considerevoli. La Tabella
2 illustra il grado di errore che può verificarsi a causa della mancanza di perpendicolarità tra la
superficie sensoria della sonda e il campo magnetico che si sta misurando.
TABELLA 2. Errori di misurazione dovuti all'angolo del sensore della sonda piatta
ANGOLO TRA LA SUPERFICIE SENSORIA DELLA SONDA
E LA DIREZIONE DEL CAMPO
% ERRORE
0°
0,0%
5°
0,4%
10°
1,5%
15°
3,4%
20°
6%
30°
13%
45°
29%
90°
100%
Non bisogna mai forzare una sonda Hall dentro un'apertura stretta, ne farla piegare o flettere; la
tensione meccanica si può trasmettere all'elemento fragile e causarne l’incrinazione.
Qualsiasi sonda Hall che consiste di un elemento scoperto montato sulla sua base senza alcuna
copertura protettiva deve essere maneggiata con estrema cura, poiché anche un solo graffio sulla
superficie del sensore può causare un danno irreparabile.
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Le sonde di campo trasversali variano in spessore da 0,015 pollici a 0,039 pollici (da 0,38 mm a 0,99
mm). Naturalmente le sonde più spesse sono più dure di quelle più sottili.
SONDE DI CAMPO ASSIALI
Le sonde di campo assiali sono componenti Hall destinati alla misurazione di campi magnetici
assiali. La costruzione di una tipica sonda assiale è illustrata nella Figura sotto. Il campo magnetico
viene rilevato lungo l’asse del tubo o asta che contiene L’elemento Hall.
Le sonde assiali sono molto più dure delle sonde di campo trasversali, a causa della loro
conformazione. II "braccio" della sonda può essere di fatto di qualunque lunghezza, mentre il diametro
può variare da circa 0,100 pollici a 0,300 pollici (da 2,5 mm a
7,6 mm). Come per le sonde di campo trasversali, le sonde più
grosse sono più dure (e più economiche) delle sonde più piccole.
Le sonde di campo assiale possono essere utilizzate per la loro
funzione primaria (misurare campi in strutture magnetiche
Elemento Hall
cilindriche) e per molti altri scopi della misurazione magnetica.
La loro durezza permette il loro utilizzo per misurazioni delle
Cappuccio protettivo
dispersioni in aree limitate, dove una sonda trasversale
potrebbe essere facilmente danneggiata. L'errore di misurazione
Campo
dovuto alla non perpendicolarità del sensore al campo, può
verificarsi sia con una sonda assiale sia con una sonda
trasversale. Si deve prestare attenzione per assicurarsi che il braccio della sonda sia allineato nella
direzione del campo; ciò posizionerà l’area sensoria perpendicolarmente al campo.
GAUSSMETRO BASE A EFFETTO HALL
Una sonda a effetto Hall necessita di alcune apparecchiature esterne per misurare un campo
magnetico. Fondamentalmente sono necessari una fonte stabile di corrente motrice e un appropriato
indicatore di voltaggio. Il gaussmetro ha una sensibilità relativamente bassa, poiché una tipica sonda
InAs a effetto Hall fornisce un voltaggio a circuito aperto di circa 10mV/kilogauss quando il generatore
è azionato da una corrente motrice di 100m-A.
Questo sarebbe ridotto a circa 7mV se la sonda terminasse in un carico come il millivoltmetro illustrato
nel circuito. Un gaussmetro di questo tipo avrebbe una portata in scala al naturale da 1 Kilogauss fino
a circa 20 Kilogauss. La densità di flusso più bassa che si può misurare con una certa sicurezza sarebbe
intorno ai 100 gauss. Il metro d'Arsonval necessario allo strumento dovrebbe avere una loro sensibilità
elevatissima - circa 10mV in scala al naturale.
Il circuito a equilibrio zero serve all'operatore per compensare il contrappeso della forza elettromotrice
(emf) relativo praticamente a tutti i generatori Hall. Il contrappeso è dovuto alla non uniformità del
materiale e a collocazioni fisiche leggermente errate dei piombi della forza elettromotrice sul
generatore. Il controllo dell'equilibrio permette inoltre all'operatore di compensare eventuali forze
elettromotrici (emf) termiche generate nel circuito.
Il metro analogico indicherà solo campi statici o a corrente continua (dc); le misurazioni di campi a
corrente alternata (ac) necessiterebbero di un metro ac ad alta impedenza o di un oscilloscopio, invece
del metro dc illustrato. La misurazione di campi a impulsi necessiterebbe di un oscilloscopio ad
accumulazione. I limiti di frequenza sarebbero una funzione degli effetti induttivo e capacitativo della
sonda Hall. In generale, un gaussmetro base del tipo illustrato potrebbe misurare campi da dc fino a 20
kHz.
GAUSSMETRI PRATICI A EFFETTO HALL
I gaussmetri a effetto Hall di oggi sono strumenti piuttosto sofisticati che hanno una capacita di
misurazione che varia da pochi decimi di gauss a decine di migliaia di gauss.
Il gaussmetro con metro indicatorio usa la corrente diretta come mezzo azionante per la sonda Hall e
un amplificatore dc aumenta la sua sensibilità. Ciò fa sì che esso possa essere usato per misurare
campi magnetici a dc/, magneti permanenti, campi ac e campi a impulsi.
Quando è necessaria un'alta sensibilità e un'ampia gamma di misurazioni, e si desidera la raffinatezza
di una visualizzazione digitale, il Gaussmetro offre la strumentazione necessaria. Il Modello dispone di
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corrente motrice ac alla sonda Hall, e la sua amplificazione ac e i circuiti rilevatori di fase consentono di
effettuare misurazioni di campi magnetici di alta sensibilità ad ampia gamma.
L'amplificazione high-gain ac amplification e la rilevazione di fase riduce al minimo il disturbo che
sarebbe altrimenti evidente in circuiteria high-gain circuity di questa tipo. Si possono facilmente
misurare campi dc e a magnete permanente oltre a campi ac fino a 1 kHz.
II Gaussmetro utilizza un modernissimo assemblaggio elettronico ad alta densità che permette di
effettuare un'ampia gamma di misurazioni accurate con uno strumento tascabile. Le piccole dimensioni
del Modello 2002/3 e 2002/4 con batterie incorporate consentono misurazioni sui campo.
La generale accuratezza dei Gaussmetri a effetto Hall dipende da molti fattori: le sonde usate, il tipo di
lettura (analogico o digitale), la modalità di misurazione (ac, dc o impulsi), e la forza del campo che si
sta misurando. Le caratteristiche di un particolare strumento devono essere studiate per determinare
la sua accuratezza per una specifica applicazione. In generale, i gaussmetri come il Modello 2002/3 e
2002/4 sono considerati nella classe tre percento, mentre il Modello 2002/1 e il Modello 2002/2 sono
considerati strumenti uno percento.
La massima capacità di misurazione di campo è importante quando si devono misurare campi
magnetici fluttuanti. La circuiteria incorporata negli strumenti consente di misurare ed analizzare questi
campi facilmente.
In alcuni casi l’uso della modalità di misurazione differenziale può offrire risultati significativi che
altrimenti non si potrebbero raggiungere. Per fare ciò è necessario che due sonde Hall siano usate
simultaneamente con un gaussmetro. In questo modo, con una sola lettura si possono misurare
facilmente e accuratamente piccole variazioni o non uniformità in un campo. Usando questa tecnica si
possono determinare differenziali di campo piccoli come 20 parti per milione.
Un paio di Gaussmetri con interfacce opzionali possono anche essere usati per misurazioni differenziali
rapide; ciò può essere utile per tracciare campi di Immagini a Risonanza Magnetica (MRI).
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CAPITOLO 3
APPLICAZIONE DEL GAUSSMETRO
INTRODUZIONE
La versatilità dei gaussmetri a effetto Hall ne consente l’utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni. L'uso corretto semplificherà le funzioni di misurazione, consentirà di rilevare le letture con
maggiore precisione e ridurrà al minimo il pericolo di danni agli elementi sensori della sonda Hall. I
seguenti metodi di applicazione illustreranno alcune delle tecniche che si possono usare per garantire
un'efficiente funzionalità.
CONTROLLO DEI MAGNETI AD “U” E A “C”
I magneti permanenti ad U e a C si possono controllare con esattezza, ripetibilità e velocita
usando un'attrezzatura semplice, come quella rappresentata nella Figura 11a. L'attrezzatura consiste
in una base di ferro dolce ed una sottile piastra distanziatrice di ottone provvista di una fessura per
inserire la sonda. La piastra d'ottone dovrebbe essere
leggermente più spessa della sonda Hall; la fessura
dovrebbe essere della larghezza e profondità necessarie
a far passare l’estremità della sonda. Si può usare un
pezzo di nastro per mascherature per fissare l’estremità
della sonda nella fessura. Le sonde di campo trasversali
si prestano benissimo a questa tipo di servizio per la
loro conformazione fisica.
Anche i magneti piatti con due poli su una faccia
possono essere controllati con questo tipo di
apparecchiatura, come si vede nella Figura 11b.
Usando un'apparecchiatura, una grande quantità di
magneti simili si potranno controllare nelle stesse
condizioni (lo stesso traferro e la stessa relazione fisica
tra sonda e faccia del magnete per ciascuna
misurazione).
Il materiale ferroso
della piastra di base dovrebbe avere uno spessore da un quarto a
mezzo pollice, a seconda della densità di flusso del magnete. Un
grosso magnete che presenta un alto livello di densità di flusso
potrebbe saturare una piastra di base sottile, quindi avrebbe bisogno
di una piastra di base più spessa. La piastra di base dovrebbe essere
altamente permeabile, ma magneticamente dolce, affinché non tenda
a conservare magnetismo dopo che il magnete di controllo viene
rimosso da essa. II ferro Armco, l’acciaio svedese e alcune qualità di
acciaio laminato a freddo sono materiali soddisfacenti.
Gli assemblaggi magnetron spesso comprendono un paio di magneti
a C o una simile disposizione di magneti ad anello o piatti. Un
metodo comodo per controllare il livello di campo in un assemblaggio
magnetron è illustrato nella Figura 12, dove è usato un tubo non magnetico come guida per la sonda
assiale Hall. Questa tecnica si può considerare una sorta di analisi di qualità che precede L’installazione
delle componenti elettroniche sull'assemblaggio magnetico. Questo metodo di controllo consente di
determinare in modo veloce e precise la densità di flusso massima e l’area di omogeneità.
CONTROLLO DEGLI ASSEMBLAGGI DI MAGNETI DI CAMPO ASSIALE
I magneti assiali e i loro assemblaggi possono essere controllati senza ricorrere ad adattatori,
ma di fatto in ogni caso le misurazioni saranno più esatte se viene usata una guida di qualche tipo con
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la sonda Hall. Quando si deve misurare una serie di magneti simili per lo stesso parametro, per
ottenere letture accettabili è necessario usare un adattatore.
Nella Figura 13 è stato inserito un tubo guida in un magnete assiale. La sonda assiale Hall è poi inserita
da un'estremità finche l’area del sensore viene localizzata nel preciso centro magnetico
dell'assemblaggio. Il grafico dell'ampiezza alla base della Figura 13
indica i livelli relativi di densità di flusso sull'asse magnetica quando
la sonda viene fatta passare attraverso l’assemblaggio. E'
importante notare che ci saranno tre letture massime; una quando
la sonda entra nel magnete, una al centro, e una quando la sonda
esce dall'estremità opposta dell'assemblaggio. Le letture all'entrata
e all'uscita del magnete saranno approssimativamente la meta
dell'ampiezza della lettura ottenuta al centro della struttura.
La densità di flusso al centro è di solito considerata il parametro più
importante. Per letture precise, L’elemento Hall deve essere
mantenuto sempre perpendicolare al campo magnetico durante il
controllo. Qualsiasi deviazione dalla perpendicolarità comporterà
errori di misurazione in relazione all'angolo formate tra la faccia del
sensore e l’asse del campo, come spiegato nel Capitolo 2.
Una simile sistemazione del tubo si può usare per controllare il livello magnetico in un tubo ad onda
mobile (TWT), che di solito è composto da alcuni magneti ad anello caricati assialmente posti da
un'estremità all'altra. Un'ulteriore controllo per i TWT consiste nel misurare il campo trasversale
nell'assemblaggio, cioè il campo magnetico (se esiste)
perpendicolare all'asse del tubo. Un adattatore per questo
tipo di controllo consiste in un contenitore che manterrà
l’estremità della sonda trasversale parallela all'asse del tubo
mentre la sonda viene spostata lungo il tubo adattatore. In
questo caso si osserverà un campo trasversale all'entrata e
all'uscita dell'assemblaggio, ma si dovrebbe osservare una
scarsissima densità di flusso in tutto il resto della struttura.
La Figura 14 mostra un adattatore di sonda che si può usare
per assicurare un corretto allineamento della sonda
trasversale mentre essa viene inserita attraverso il magnete assiale.
CONTROLLO DEGLI ASSEMBLAGGI DI MAGNETI ROTANTI
Si possono usare molti metodi per il controllo degli assemblaggi di magneti permanenti rotanti,
come quelli usati nei motori, nei generatori, negli alternatori e negli
azionatori di posizione. Il metodo più facile consiste nel porre
manualmente l’area sensoria della sonda Hall contro le varie facce
di polo del rotore che si sta controllando. Ciò è soddisfacente per un
controllo di routine, quando si desidera solo un'indicazione generale
della densità del flusso magnetico. Un controllo qualitativo
necessiterà di apparecchiature di qualche tipo per stabilire una
relazione fissa tra la sonda e la faccia del polo. Questo vale
soprattutto quando si devono testare rotori simili e paragonare i
risultati.
Un'apparecchiatura semplice che consentirà un alto grado di
precisione è illustrata nella Figura 15. L'assemblaggio del rotore
viene girato a mano e viene annotata e registrata la lettura
massima di ciascuna faccia del polo mentre passa vicino alla
sonda. Il procedimento si dovrebbe ripetere con il sensore
in posizioni diverse lungo l’asse del rotore, per ottenere un
quadro completo della generale densità relativa del flusso
lungo ciascuna faccia del polo.
Questo metodo offre una modalità di misurazione statica o
dc. La distanza tra la faccia della sonda e il rotore non è
critica , ma deve essere costante per tutte le misurazioni;
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una distanza da 1/32 a 1/8 di pollice (da 0,8 a 3,2 mm) è soddisfacente. Una distanza minore permetterà di osservare variazioni minori sulle facce del polo. L'estremità della sonda può essere mantenuta
ferma da un pezzo di nastro o da un adattatore meccanico, assicurandosi che non venga esercitata
alcuna tensione o pressione contro il sensore.
Un metodo più sofisticato di controllo del rotore è illustrato nella Figura 16. Questa apparecchiatura
utilizza una sonda assiale tenuta ad una distanza fissa da un rotore che viene girato ad una velocita
fissa da un motore elettrico. In pratica si potrebbe usare una sonda trasversale, ma di solito una sonda
assiale è più compatibile meccanicamente con questa configurazione. La velocita di rotazione deve
rimanere costante durante tutti i controlli per garantire la ripetibilità, poiché il livello di funzionamento
del gaussmetro è funzione della velocita di rotazione, del diametro del rotore e di altri fattori.
II gaussmetro deve essere posta nella modalità operativa ac durante questa controllo, poiché i poli
rotanti offrono un campo ac attraverso la loro polarità magnetica alternata. Se si desidera, la sonda
può essere spostata assialmente lungo la faccia del rotore mentre L’assemblaggio ruota, assicurandosi
di mantenere una distanza fissa tra il sensore e le facce del polo. Ciò permetterà di determinare il
livello medio generale. La distanza tra il sensore e la faccia del rotore dovrebbe essere tra 1/16 e 1/4
di pollice (1,6 e 6,4 mm). Assicuratevi che L’assemblaggio rotante non tocchi la sonda, al fine di
evitare un danno irreparabile al sensore Hall.
ANALISI DEGLI ASSEMBLAGGI MAGNETICI
L'analisi di un assemblaggio magnetico è di solito
compito di un tecnico, anche se a volte sono il personale della
produzione o del controllo qualità a dover eseguire questi
controlli. La sonda a effetto Hall e il gaussmetro sono adatti ad
eseguire misurazioni analitiche per determinare L’efficienza di
un circuito magnetico. Un tipico assemblaggio magnetico che
comprende nel suo circuito componenti di ferro dolce e un
magnete è illustrato nella Figura 17. Sono rappresentate
normali traiettorie di dispersione adiacenti al magnete, oltre
alla dispersione della riluttanza dei giunti e alla dispersione
magnetica causata dalla saturazione di alcune componenti
ferrose.
Qualche dispersione adiacente al magnete permanente è
normale, così come qualche dispersione magnetica in un giunto
o discontinuità nel circuito. I giunti dove si incontrano componenti magnetiche e ferrose mostreranno
una dispersione di flusso proporzionata alla condizione meccanica del giunto; un buon accoppiamento
fisico tra magnete e ferro mostrerà bassa dispersione. Quando la quantità di flusso che un componente
di ferro deve trasportare eccede la capacità della sua area trasversale, apparirà sulla sua superficie un
livello relativamente alto di densità del flusso. Qualsiasi campo magnetico, diverse da quello presente
nel traferro di funzionamento, presente sopra o vicino ad un circuito magnetico si può considerare
flusso sprecato. Naturalmente nessun circuito sarà efficiente al cento percento, ma un'analisi attenta di
un circuito sperimentale può aiutare il progettista ad aumentare l’efficienza di una struttura magnetica.
AVVERTENZA
Indossate sempre occhiali di protezione quando usate trasformatori di carica ad alta corrente. Questo
servirà a proteggere gli occhi nel caso in cui sopravvenga un impulso di corrente mentre i contatti del
trasformatore non so no stretti adeguatamente; ciò porterebbe alla curvatura del conduttore.
Non provate a misurare le forze magnetizzanti all'interno di un trasformatore di carica se non
conoscete a fonda le operazioni ad alto voltaggio e le precauzioni che si devono osservare in tali
operazioni. Benché le spire del trasformatore di solito siano ben isolate, esse potrebbero essere
accidentalmente scoperte per un logoramento o un guasto meccanico.
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CAMPI MAGNETICI A IMPULSI
La misurazione di campi magnetici a impulsi non si affronta in molte applicazioni delle misurazioni magnetiche. Tuttavia, un tecnico esperto dovrebbe essere a conoscenza dei metodi usati per
queste misurazioni, nel caso se ne presentasse la necessita.
La forza magnetizzante massima (H) sviluppata intorno ad un conduttore di carica ad alta corrente si
può misurare direttamente in oersteds, usando una sonda Hall adiacente al conduttore (Figura 18). II
conduttore rappresentato è tipico delle barre di carica ad alta corrente e basso voltaggio, che
terminano gli avvolgimenti secondari di trasformatori a impulso, usati con caricatori magnetici ad alta
potenza. Correnti oltre 10.000 ampere sono frequenti in questi conduttori. Si può anche usare una
sonda assiale o trasversale per misurare la forza di carica massima
in apparecchiature magnetizzanti di tipo "pot" o avvolte da fili.
Le forze magnetiche a impulsi devono essere misurate con un
gaussmetro che fornisce corrente motrice dc alla sua sonda Hall.
Anche la larghezza di banda del gaussmetro è importante; per
esempio, il gaussmetro deve avere una lunghezza di banda di
almeno 1 kHz se si devono misurare impulsi di 1 millisecondo.
Oltre ad una sonda Hall e ad un gaussmetro servirà un
oscilloscopio. E' preferibile un oscilloscopio ad accumulazione
digitale o analogica, ma per tutte le misurazioni più difficili si può
usare una normale unita con movimento a scatto, fornita di un tubo
di fosforo di lunga durata. Fate riferimento ai manuali di istruzione
dei gaussmetri e degli oscilloscopi per le procedure operative e
l’interconnessione degli strumenti.
II gaussmetro dovrebbe essere equilibrato a zero, utilizzando il suo metro interno, e poi commutato al
funzionamento con l’oscilloscopio esterno. La sonda Hall viene inserita nel centro del magnete di
riferimento, con la traccia dell'oscilloscopio sistemata in un punta adatto allo schermo, e poi la sonda
Hall viene rimossa velocemente dal magnete di riferimento. Potrebbe essere necessario eseguire
questa operazione diverse volte per regolare 10 scatto adatto. l'attenuatore verticale dell'oscilloscopio
e il controllo della calibratura del gauss metro dovrebbero essere regolati in modo da fornire una
divisione di deflessione verticale quando la sonda viene rimossa dal magnete. Fatto ciò, il sistema è
calibrato in modo tale che una divisione di deflessione verticale equivale a 1000 oersteds con un
magnete di riferimento di 1000 gauss, o a 2000 oersteds per un magnete di 2000 gauss. (Si può usare
per comodità qualsiasi altra disposizione di oersteds/divisione).
La sonda viene poi attaccata o avvicinata al conduttore di carica come illustrato nella Figura 20.
Assicuratevi che non ci siano componenti magnetiche o ferrose
vicino alla sonda, poiché il campo a impulsi potrebbe far si che si
spostino e danneggino il sensore. le parti di ferro dell'impianto che
sono ben attaccate al conduttore di carica non dovrebbero
presentare problemi fisici di movimento. Si dovrebbe poi azionare
il caricatore del magnete e la deflessione della traccia sullo
schermo dell'oscilloscopio può essere interpretata per leggere la
forza magnetizzante direttamente in oersteds. Potrebbe essere
necessario azionare il sistema diverse volte mentre si regolano i
controlli delle scatto dell'oscilloscopio per ottenere una corretta
sequenza di scatto.
Questa procedura non mostra solo la forza magnetizzante
massima; la forma dell'onda indicherà anche il tempo di crescita
dell'impulso fino al suo valore massimo, così come la lunghezza totale dell'impulso.
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CONTROLLO DELL'EFFICIENZA DELLE COMPONENTI MAGNETICHE DI PROTEZIONE
Sono stati progettati contenitori e protezioni di varie forme per evitare che i campi magnetici
influiscano negativamente su altre componenti e sugli assemblaggi. La disposizione illustrata nella
Figura 19 utilizza campi dc o di magnete permanente per controllare l’efficienza delle componenti di
protezione: se è necessario effettuare un controllo dell'efficacia
della protezione su campi ac, i magneti permanenti del sistema di
controllo possono essere sostituiti con elettromagneti azionati da
una fonte ac adattabile.
Nel funzionamento, la sonda viene inserita nella sua presa collocata
centralmente tra i magneti (o gli elettromagneti) e sistemata in
modo da ottenere la massima lettura sui gaussmetro; una volta
ottenuta, la lettura viene rilevata e registrata. II materiale di
protezione viene poi posta sopra la sonda e fissato nelle sue guide
senza che disturbi la posizione della sonda. ciò isola in modo
efficace la sonda dal campo magnetico, e il grado di isolamento
dipende dall'efficacia del materiale di protezione. la posizione del gaussmetro dovrebbe essere regolata
in modo da permettere di effettuare e registrare una nuova lettura.
Si può quindi calcolare l’efficacia della protezione. Per esempio, si consideri che con la sonda
posizionata sui banco di prova e senza alcuna protezione, il campo magnetico indicato sia di 100 gauss.
Si consideri inoltre che una volta inserita la protezione, la lettura si sia ridotta a 0,1 gauss. ciò
indicherebbe un fattore di attenuazione effettivo di 100/0,1 o 1000.
La protezione dovrebbe essere ruotata sui banco di prova mentre si osserva L’indicazione del
gaussmetro, per assicurare che la sua efficacia sia costante in tutte le direzioni.
Se vengono rimossi i magneti o gli elettromagneti, lo stesso banco di prova può essere usato per
controllare il magnetismo residuo delle componenti di protezione. Per fare ciò, si inserisce la sonda Hall
nella sua presa e si ruota per ottenere l’indicazione minima del campo magnetico sui gaussmetro, con il
gaussmetro regolato nella sua posizione più sensibile. Si mette poi una componente di protezione sulla
sonda. Se la lettura del gaussmetro rimane la stessa ciò indica che la componente di protezione è priva
del magnetismo residuo complessivo. La protezione dovrebbe allora essere ruotata sui suo asse
verticale mentre si osserva la lettura del gaussmetro. le variazioni della densità del flusso osservate
mentre il contenitore ruota indicano "punti caldi" magnetici sulla protezione.
Un controllo più rigoroso consiste nel porre la componente di protezione in un campo magnetico dc o
permanente di circa 100 oersteds prima di eseguire il controllo appena descritto. In molti casi, un
elemento è giudicato soddisfacente se non presenta alcun magnetismo residuo dopo essere stato
sottoposto a un campo demagnetizzante ac di circa 1000 oersteds. In tutti i controlli si consiglia di non
sottoporre a tensione fisica il materiale di protezione, poiché ciò può distruggere le sue caratteristiche
magnetiche "dolci".
AVVERTENZA
Per evitare la possibilità di gravi shock elettrici e/o danni al gaussmetro, utilizzare sempre una sonda
inserita in un tubo isolato quando si misura la dispersione magnetica in trasformatori con avvolgimenti
ad alto potenziale. Si devono osservare anche tutte le precauzioni relative ai controlli ad alto voltaggio.
MISURAZIONE DELLA DISPERSIONE MAGNETICA NEI TRASFORMATORI
I trasformatori di corrente di solito presentano una certa quantità di dispersione magnetica che
dipende da diversi fattori: la corrente magnetizzante, i limiti di impiego della corrente, le dimensioni e
il tipo di nucleo laminato o avvolto, e le variazioni nel carico presentato agli avvolgimenti. La corrente
magnetizzante e funzione del tipo di trasformatore - un elemento progettato per un'alta corrente
magnetizzante presenterà campi di dispersione più consistenti di uno progettato in modo più
tradizionale. Anche una sezione trasversale di materiale del nucleo troppo piccola presenterà una
dispersione magnetica eccessiva.
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Un trasformatore con una dispersione eccessiva può avere un effetto negativo sulle altre componenti.
Un campo magnetico irradiato può causare errori notevoli quando si eseguono misurazioni della
distorsione su amplificatori audio e può anche causare forme d'onda distorte nei visualizzatori
dell'oscilloscopio. I campi magnetici irradiati da trasformatori ad ampia distribuzione possono essere
abbastanza forti da influenzare i dati immagazzinati su nastro o disco, a seconda della loro vicinanza al
trasformatore.
Un gaussmetro ad effetto Hall fornito di una sonda assiale o trasversale può essere usato per
controllare trasformatori che si sospettano avere una dispersione eccessiva. Sia la direzione sia
l’ampiezza del campo di dispersione possono essere rilevate velocemente, poiché il campo avrà la sua
lettura maggiore quando è perpendicolare alla superficie piatta dell'elemento sonda. Un gaussmetro ad
alta loro sensibilità che alimenta la sua sonda con corrente ac non distingue tra campi magnetici ac o
dc. Per determinare il tipo di campo magnetico che si sta osservando bisogna togliere la corrente al
trasformatore e osservare i cambiamenti nella lettura del gaussmetro. Un metodo diretto per osservare
L’ampiezza di un campo ac in presenza di un campo magnetico permanente consiste nel connettere un
oscilloscopio ai terminali di uscita analogici del gaussmetro. Da un campo permanente o dc risulterà
una traccia rettilinea sui visualizzatore dell'oscilloscopio. Un cambiamento di ampiezza provocherà uno
spostamento verticale della traccia. Se è presente un campo ac, il visualizzatore mostrerà la forma
d'onda del campo che si sta misurando.
AVVERTENZA
Per evitare la possibilità di gravi shock elettrici, la seguente tecnica di misurazione non e consigliata
per misurare la corrente in conduttori ad alto voltaggio.
MISURAZIONE DELLA CORRENTE NEI CONDUTTORI
Qualunque conduttore di corrente elettrica genererà un campo magnetico. L'ampiezza di questa
campo è proporzionale alla grandezza della corrente e alla distanza dal conduttore. Questo si può
calcolare con la formula:
i = (5r) (H)
dove
H = livello del campo magnetico in oersteds
i = corrente del conduttore in amperes
r = punto di misurazione, espresso come la distanza dal centro del conduttore in
centimetri
In pratica la sonda Hall viene posta con il centro del suo sensore ad una distanza conosciuta dal centro
del suo sensore ad una distanza conosciuta dal centro del conduttore. La superficie sensoria
dell'elemento Hall deve essere perpendicolare al piano del campo magnetico. Quando si misurano
basse correnti, è meglio collocare la sonda con la corrente del conduttore spenta. I controlli di
equilibrio del gaussmetro vengono poi sistemati ad equilibrio zero, regolando in questa modo il campo
magnetico della Terra ed altri effetti magnetici vaganti. A questa punta si lascia passare la corrente
attraverso il conduttore e si rileva la forza del campo sviluppato. Il livello di corrente si può poi
misurare con la formula precedente.
Per esempio, se il campo magnetico misura 2 oersteds alla distanza di un centimetro dal centro di un
conduttore, la corrente attraverso il conduttore sarà (5x1) (2), o 10 amperes.
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CONTROLLI DI PERMEABILITÀ RELATIVA
Il Gaussmetro a effetto Hall, la sua sonda e un adattatore fatto con assemblaggi di magnete
permanente possono essere usati per indicare la permeabilità relativa di materiali. Un'apparecchiatura
di controllo semplice e rappresentata nella Figura 20.
La sonda viene inserita nella sua presa nell'adattatore e viene
rilevato il livello del campo magnetico. Viene quindi inserito un
campione in serie con i pezzi della sonda/polo e si rileva una nuova
lettura della densità del flusso. Potrebbe essere necessario usare
spessori di ferro dolce (come illustrato) per rendere L’intervallo di
misurazione il più piccolo possibile. La lettura iniziale dovrebbe
essere presa con gli spessori in posizione. L'elemento sensorio
della sonda Hall deve avere un'area minore della sezione
trasversale del campione che si sta controllando. Se il materiale
campione ha una permeabilità, la lettura del gaussmetro
aumenterà in modo proporzionale a tale permeabilità. La formula
per la permeabilità magnetica è:
u = B/H
dove
u = permeabilità
B = lettura del gaussmetro con il campione nell'adattatore
H = lettura iniziale del gaussmetro (forza magnetizzante)
Non si dovrebbe usare una forza magnetizzante eccessiva. Per materiali ad alta permeabilità dovrebbe
essere sufficiente una forza da 10 a 20 oersteds, mentre per i materiali a bassa permeabilità
basteranno poche centinaia di gauss. Se la forza magnetizzante non provoca alcun cambiamento nella
lettura del gaussmetro, la permeabilità del materiale è un'unita. (1)
Un adattatore può anche essere usato per mettere a confronto delle componenti in un programma di
controllo qualità, dove alcuni campioni simili devono essere confrontati magneticamente. Un campione
che è stato controllato e trovato soddisfacente in un processo ordinaria può essere usato come
"standard" col quale si confrontano altre componenti.
MISURAZIONE DELLA DENSITÀ DEL FLUSSO NEI TRAFERRI DEGLI AMPLIFICATORI
Il gaussmetro offre un metodo facile e veloce per controllare "da un'estremità all'altra" la
densità del flusso nei traferri operativi degli altoparlanti. Ciò significa che qualsiasi numero di punti nel
traferro anulare può essere controllato per ottenere un'analisi di qualità dell'efficacia del processo di
magnetizzazione e della qualità del materiale e dell'assemblaggio della struttura.
Si devono osservare diverse precauzioni quando si usa una sonda Hall nel traferro circolare:
1. Se il raggio della curvatura è troppo piccolo, la sonda potrebbe non passare. Non si deve mai
forzare una sonda Hall nel traferro, perché l’elemento Hall potrebbe essere danneggiato in modo
permanente.
2. Assicurarsi che i pezzi del polo di assemblaggio dell'altoparlante coprano L’intera area sensoria
della sonda.
3. Se L’area trasversale del polo che si sta misurando è più piccola dell'area sensoria della sonda,
le letture non corrisponderanno alla misura della vera densità del flusso del traferro.
La combinazione di gaussmetro/sonda Hall si presta solo per misurazioni della densità del flusso
relativa. Se so no necessarie letture più esatte, si devono usare un flussometro e una bobina di ricerca.
USO
DEL
GAUSSMETRO
IN
UN
SISTEMA
AUTOMATICO DI LAVORAZIONE DEL MAGNETE
II gaussmetro a effetto Hall può servire come dispositivo
di misurazione in un sistema automatico, controllato da un
computer, di carica e stabilizzazione di un magnete.
La Figura 21 è uno schema funzionale che opera sui canale
IEEE - 488. II gaussmetro, la sua sonda e le apparecchiature
connesse sono tutti parte del sistema generale. Ogni parte del
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sistema deve essere scelta con cura per la sua applicazione specifica, per garantire il buon
funzionamento del sistema.
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