Automatic instrumental platform for the measurement of the characteristics of ferromagnetic materials based on LabVIEW
Monia Ferjani JAAFARlowast; Center for Research in Industrial Engineering (CEREP), Department of Electrical Engineering, The National Higher Engineering School of Tunis, University of Tunis 1, Tunis, Tunisia
Received: 21.04.2015 bull; Accepted/Published Online: 05.02.2016 bull; Final Version: 24.01.2017
Abstract: In this paper, we propose a complete automation of the different measurements of ferromagnetic materials dynamic characterization according to the CEI60404-6 standard. The measurement bench consists of two major parts: hardware and software. The hardware part comprises a programmable function generator MTX-3240, an electronic card for the magnetic inductionrsquo;s waveform control, and an NI PCI-6225 acquisition card. The software part is developed in the LabVIEW environment to enable the generator and the acquisition card control. It also allows for the processing of obtained experimental records and the correction of static errors. The identified characteristics are mainly the first magnetization curve, the static and the differential permeability, the hysteresis loop characteristics, and the core loss measurements.
Key words: Experimental design, hysteresis loop, magnetic properties, ferromagnetic losses, data acquisition, virtual instrument, LabVIEW, synchronous detection
- Introduction
In electrical engineering, it is required to identify the magnetic characteristics of a ferromagnetic material in order to optimize its design economically and technically. The functioning of the classic electrical devices such as engines, alternators, or transformers depends on its magnetic circuit characteristics.
With the major progress in digital technology and computer-aided design, several automated magnetic measuring systems have been developed. Novikov et al. proposed an instrument where the coordinates of the hysteresis loop points are converted with an analog-digital converter into coupled digital code pairs stored and processed in a microprocessor [1]. Others developed instruments that are based on the ferrometric approach consisting of phase-sensitive rectification of signals from the magnetizing and measuring coils of the ferromagnetic sample. Subsequent averaging is applied to find the instantaneous field intensity and magnetic induction [2]. Krokhin and Sushchev proposed a digital compensating ferrometer that uses a modification of the ferrometric method [3]. With the progress of virtual instrumentation, Pacute;olik and Kuczmann and other research groups developed different computer-controlled measurement systems applying the National Instruments NI-DAC Data Acquisition Card and the National Instruments LabVIEW software package [4].
Our efforts in this field concern the improvement of an automatic instrumental platform for the measurement of the characteristics of ferromagnetic materials. We apply an accuracy measurement converter called a synchronous detector, usually used in the field of instrumentation and digital signal processing. Our methodis inspired by the modified ferrometric method and the system is controlled by the NI-DAC and LabVIEW software.
In this paper, we present the design of a test bench for the automatic magnetic characterization of a ferromagnetic sample such as a first magnetization curve, static and differential permeability, hysteresis loop, remanent induction, saturation induction, coercive field, and total losses.
The measurement principle is based on the electromagnetic induction law. The measurement of the magnetic characteristics is performed on a thin ferromagnetic ring sample in the dynamic regime with a sinusoidal magnetic induction conforming to the international standard CEI60404-6 [5].
- Architecture of the measurement system
The essential parameters characterizing a magnetic material, such as coercivity field Hc , magnetization at remanence point Br , saturation induction Bs , static permeability micro;stat (Hm), differential permeability micro;d (Hm), iron losses PHF (Bm), and features that allow the quantification of losses in the material for a definite stimulus, are deduced from the hysteresis loop [6]. Figure 1 shows an example of a hysteresis loop with the essential parameters that can be derived from this characteristic.
The measurements of the magnetic characteristics of a ferromagnetic sample are based on the identification of the hysteresis loop. The identification of magnetic properties of ferromagnetic material requires the use of a closed magnetic circuit to prevent submitting the sample to an internal demagnetizing field, which might be the origin of an error source difficult to quantify [7]. For this reason it is recommended to use certain types of circuits [8]. Moreover, the proposed measures are based on the induction law. The measurement circuit has two windings, one for excitation and one for measurement. The magnetic flux variation can be obtained by measuring the induced voltage in the secondary coil [9].
However, considering the nonlinearity of electromagnetic phenomena and the need of measurement standardization of ferromagnetic materialsrsquo; characteristics in the dynamic regime, it is necessary to take measures for a sinusoidal waveform according to the CEI60404 standard. For this purpose, and in order to have the same operating conditions of an electrical machine and to ensure the reproducibility of measurements, the control of the waveform requires the presence of feedback. The synoptic plan and the general structure of the characterization bench of ferromagnetic materials are presented in Figures 2 and 3.
Figure 4 illustrates the constitution of the test bench of ferromagnetic materials characterization. This system is controlled by a PC via a functional user interface in the LabVIEW environment and it consists of anNI-PCI-6
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基于LabVIEW的铁磁材料特性自动测量仪器平台
Monia Ferjani JAAFAR工业工程研究中心(CEREP)，电子工程系，突尼斯突尼斯大学突尼斯国家高等工程学院，突尼斯突尼斯1号大学
文摘:本文根据CEI60404-6标准，提出了铁磁材料动态特性测量的完全自动化。测量台由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括可编程功能发生器MTX-3240、用于磁感应波形控制的电子卡和NI PCI-6225采集卡。软件部分在LabVIEW环境下进行开发，实现对生成器和采集卡的控制。它还允许处理获得的实验记录和修正静态误差。确定的特性主要有第一磁化曲线、静态磁导率和微分磁导率、磁滞回线特性和磁芯损耗测量。
关键词:实验设计，磁滞回线，磁性能，铁磁损耗，数据采集，虚拟仪器，LabVIEW，同步检测
1. 介绍
在电气工程中，为了在经济和技术上优化铁磁材料的设计，需要识别铁磁材料的磁性能。发动机、交流发电机或变压器等传统电气设备的功能取决于其磁路特性。
随着数字技术和计算机辅助设计的发展，人们开发了多种自动磁力测量系统。Novikov等人提出了一种利用模拟-数字转换器将迟滞环路点的坐标转换成存储在微处理器[1]中并进行处理的耦合数字代码对的仪器。另一些人开发了基于铁磁方法的仪器，该方法由铁磁样品磁化和测量线圈信号的相敏整流组成。采用后续平均法求得瞬时磁场强度和磁感应[2]。Krokhin和Sushchev提出了一种数字补偿铁磁计，它是对铁磁法[3]的改进。随着虚拟仪器的发展，Prsquo;olik和Kuczmann等课题组利用国家仪器NI-DAC数据采集卡和国家仪器LabVIEW软件包[4]开发了不同的计算机控制测量系统。
我们在这一领域的努力涉及铁磁材料特性自动测量平台的改进。我们采用一种称为同步探测器的精度测量转换器，通常用于仪器仪表和数字信号处理领域。我们的方法受到改进的铁磁法的启发，系统由NI-DAC和LabVIEW软件控制。
本文设计了铁磁样品的第一磁化曲线、静态磁导率和微分磁导率、磁滞回线、剩余磁感应、饱和磁感应、矫顽力场和总损耗等自动磁特性测试装置。
测量原理基于电磁感应定律。采用符合国际标准CEI60404-6[5]的正弦磁感应，在动态范围内对薄铁磁环样品进行磁特性测量。
2. 测量系统的架构
基本参数描述磁性材料,如矫顽力Hc,磁化剩磁时候Br,饱和感应Bs,静态渗透micro;stat (Hm)、微分渗透率micro;d (Hm),铁损公积金(Bm)和特性,使量化材料损失的一个明确的刺激,推导出磁滞回线的[6]。图1显示了一个带有基本参数的滞后循环的例子，这些参数可以从这个特性中得到。
铁磁样品磁特性的测量是基于磁滞回线的识别。铁磁材料的磁性能鉴定需要使用闭合的磁路来防止样品被提交到内部消磁场，这可能是难以量化[7]的误差源的来源。因此，建议使用某些类型的电路[8]。此外，提出的措施是基于归纳定律。测量电路有两个绕组，一个用于励磁，一个用于测量。通过测量二次线圈[9]的感应电压可以得到磁通量的变化。
然而，考虑到电磁现象的非线性和铁磁材料动态特性测量标准化的需要，有必要根据CEI60404标准对正弦波进行测量。为了达到这一目的，并且为了使电机具有相同的工作条件并确保测量结果的再现性，对波形的控制需要反馈的存在。图2和图3给出了铁磁材料表征平台的总体方案和总体结构。
图4说明了铁磁材料表征试验台的组成。该系统由PC机通过LabVIEW环境下的功能用户界面控制，由annii - pci -6225采集卡[10]和可编程功能发生器MTX-3240组成，其中的电子卡控制波形，保持磁感应B(t)的正弦波形。
LabVIEW测量软件通过一个光学串口RS232[11]控制MTX-3240的振幅和频率。该发电机可自动校正，频率范围由0.1 Hz至5.1 MHz，最高可达20v。从正弦信号开始，伺服卡保持磁感应的正弦形状，以确保测量的标准化。利用NI-PCI 6225采集卡采集了代表磁感应VB的电压和磁激励VH的电压图像。
设计并实现了与图5所示的正弦磁感应形式相对应的电子控制卡后，得到的输出信号如图6所示。获得的数据将在LabVIEW环境下进行处理，并可计算安装在测试台上的铁磁环形样品的特性。采集卡连接到电子伺服卡的输出VB和VH。它有80个模拟输入通道，一个分辨率为16位的模拟-数字转换器，采样频率为250 kHz。
3.在LabVIEW环境中实现磁性测量的自动化
信号发生器MTX-3240、采集卡NI PCI-6225的控制和测量处理都在LabVIEW环境中进行。
用于控制生成器的LabVIEW程序如图7所示。它由Vis进行RS232通信参数的初始化和输出信号的配置设置两部分组成。
采集卡的控制程序如图8所示。它允许为一个采样频率Fe获取N个样本，并将它们保存在文件数据库中。采样频率Fe的值是由MTX3240发生器产生的信号频率推导出来的，它为我们提供了一个恒定数量的样本N。磁场和磁感应是根据分别应用Eqs得到的数据计算出来的。(1)和(2)。
在这里,N1和N2分别励磁线圈的匝数和传感线圈,lmoy环形样品的平均长度,我(t)是通过无电感的励磁电流测量的低值电阻RN,年代样品的部分,VB (t)是传感线圈中的感应电动势终端。式(2)中积分的计算需要确定不易获得的积分常数。因此，只要VB (t)满足公式(3)所给出的周期性和反对称性关系的条件，就可以采用同步检测的方法。
T是信号周期。
利用同步检波器的转换函数可以知道原始信号的瞬时值，该转换函数由式(4)给出。
x(t)是X(t)的导数。
根据这一原理，磁感应由式(5)给出。
这里ti从0变化到T。
同步检测转换功能的程序如图9所示。
在已知H(t)和B(t)的情况下，就有可能确定环形物的所有标准磁性参数
示例:
——第一个磁化曲线Bm (Hm),从静态micro;stat (Hm)和微分渗透率micro;d (Hm)可以推断通过方程式的实现。(6)和(7):
-不同Bm振幅的滞环B(H)网络，根据公式(8)[12]的最大诱导，可以识别出铁的损耗PHF (Bm):
在这里,rho;(公斤/立方米)是volumic铁磁材料的质量。
4. 结果
铁磁环形样品和频率变化为20hz到400hz的正弦激励电压的自动磁特性测试台已经进行了测试。
磁力测量程序的前面板如图10所示。它有13个显示领域的数值结果，如Br -剩余感应，Hc -强制激励，Bsat -饱和感应，PH-滞后损失，和PHF -核心损失。
它也有九个区域的图形显示。在这组中，左上方可以看到VB和VH的信号曲线。计算出的信号H(t)和B(t)与频谱分析一起被绘制在左下角。静态的曲线和微分相对渗透率和第一个磁化曲线,以及并且磁滞回线,出现在右下角,和16个控制区域可以看到在右边顶部,如磁参数样本,磁稳定系统,并保存位置。
随着(V)步长逐步增大励磁电压，我们可以计算出每次增大对应的H(t)和B(t)的最大值。当图上这些点Bi (Hi)相连时，就得到了第一个磁化曲线。图11为铁磁材料(钢E42)环形铁芯样品第一次磁化曲线实测值。静态渗透micro;stat (Hm)和微分渗透率micro;d (Hm)推断从第一磁化曲线和图12所示。
5. 测量误差评估
磁测量误差取决于测量通道误差和主传感器误差之和。测量通道误差包含多种独立误差，如分辨率误差，主要由参考电压和DAC变换器、采样误差、电子放大器增益误差、由于数值计算引起的误差等因素组成。
应用误差传播的方法，总误差的计算公式为:
这里,sigma;i代表每个独立的错误。
在这种自动磁感应和磁场测量中，测量通道误差不超过0.1%。
的主要传感器误差是由引起的误差计算磁化和测量绕组的匝数,测量截面的错误,和面积和长度的意思是磁力的研究样本,而且通常这个错误评估为1%。
磁性测量的总误差主要由主传感器误差决定。
6. 结论
成功地实现了铁磁材料的自动表征平台。它可以根据最新的CEI60404-6标准，自动测量环面样品在动态状态下的各种特征参数。
该系统具有简单的自动校准功能。为了减少由现象的非线性引起的感应失真，还配有一个控制回路和一个自校正系统误差的子程序。虚拟仪器的参与为添加新的测量功能提供了可能性。记录的测量数据可以导出到其他环境，如MATLAB。自动表征台可用于迟滞数学模型的识别。操作员因此从繁重的传统测量和计算任务中解脱出来。
虽然有一个作业工具，但仍有改进的余地，例如:
-完全自动化，通过自动搜索铁磁材料带宽的频率。
-饱和度参数的初步确定。
致谢
作者感谢突尼斯第一大学(University of Tunis I)生产研究中心(CEREP)主任Anis Chalbi教授提供的资金支持，以及突尼斯国立高等师范学院(ENSIT)。
参考文献
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[4] P olik Z, Kuczmann M.使用模拟和数字积分器测量和控制滞后回路。光电子学报2008;10:1861 - 1865。
[5]国际电工委员会。国际标准，磁性材料，第6部分。磁性软金属材料和粉末材料在20hz到200khz频率下的磁性测量方法。IEC 60404 - c。瑞士日内瓦:IEC, 2003年。
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[8] Kis p, Kuczmann m, Fuzi j, Ivany A.在LabVIEW中的滞后测量。物理B 2004;343:357-363。[9] Saropataki E, Kuczmann M.应用LabVIEW和MATLAB软件包实现jile - atherton滞后模型。电气工程学报2006;57:40-43。
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[11]国家仪器。虚拟仪器用户手册。美国德克萨斯州奥斯汀市:国家仪器公司，2012年。
[12] Bertotti G.磁滞。英国伦敦:学术出版社，1998年。
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