FEMM 5

Часть VII · Магнитные измерения → § 55 · Неопределённость и применение

Занятие 55.1

Калибровка и неопределённость магнитных измерений

Цель и задачи

Цель. Оценить неопределённость виртуального магнитного измерения.

Задачи

  • Составляйте бюджет стандартной неопределённости по входам измерительной модели.
  • Различайте ошибку, поправку, стандартную и расширенную неопределённости.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Оценка достоверности инженерного вывода

Инженерный вопрос. Как положение и калибровка датчика меняют результат?

Измерительная модель переводит распределение поля в сигнал датчика и позволяет выбрать расположение, ориентацию, калибровку и информативную характеристику устройства.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Задайте измерительную модель или целевую величину и источники неопределённости. Численная ошибка, разброс исходных данных и модельное упрощение различаются.

  2. Бюджет для 10 мТ. Проверьте чувствительность по одному изменяемому фактору и правила распространения для принятой модели.

  3. Составьте бюджет и исследуйте положение виртуального датчика. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сохраните модель калибровки, вклады бюджета и отдельную серию положений виртуального датчика.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Изменяйте факторы по отдельности и составьте таблицу чувствительности; отделите численное изменение от неопределённости исходных данных.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Бюджет с единицами, обоснованием допущений и оценкой доминирующего влияния.

Данные именно этого опыта. Сохраните модель калибровки, вклады бюджета и отдельную серию положений виртуального датчика.

Оформление наблюдений. Базовое значение, единицы, изменяемые факторы и диапазоны, чувствительности и происхождение оценок; корреляции указываются, если используются.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Сдайте таблицу входов, распределений, стандартных u, чувствительностей и вкладов; исходные значения и корреляции должны быть прослеживаемы.

Независимый контроль. Сравните локальную оценку с прямым изменением входа и отдельно проверьте устойчивость базового численного решения.

Критерий выполнения. Все входы приведены к стандартным неопределённостям с указанием основания. Чувствительности, знаки ковариаций и единицы проверены. Неопределённость опыта отделена от численной сходимости и модельного расхождения.

Точность и расхождения. Уровень доверия возможен только при обоснованных распределениях и зависимостях. Диапазон сценариев подписывайте диапазоном, а не автоматически доверительным интервалом.

Основание сравнения. Используйте модель измерения и правила распространения неопределённости из занятия. Разброс сценариев без вероятностного обоснования не является автоматически доверительным интервалом.

Вывод для устройства

Покажите, сохраняется ли выбор конструкции или режима при допустимом изменении исходных данных и какой параметр следует уточнить первым.

Границы вывода. Аналитическое преобразование, виртуальный датчик FEMM и натурное измерение имеют разное происхождение. Характеристики прибора и его неопределённость требуют отдельных данных.

Теория и вывод формул

Бюджет неопределённости составляется по измерительной модели с учётом оценок типов A и B, корреляций и чувствительности к положению датчика. Численная погрешность FEMM рассматривается как самостоятельный вклад при сравнении расчёта с измерением.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (55.1) · Чувствительности измерительной модели
  2. (55.2) · Чувствительности измерительной модели
  3. (55.3) · От закона Био—Савара к условию Гельмгольца
  4. (55.4) · От закона Био—Савара к условию Гельмгольца
  5. (55.5) · Пространственное усреднение и электрический выход
  6. (55.6) · Пространственное усреднение и электрический выход
  7. (55.7) · Сопротивление, индуктивность и конечный сердечник
  8. (55.8) · Как составить бюджет калибровки

Калибровка даёт связь и неопределённость

Известную систематическую составляющую исправляют поправкой; неопределённость результата после поправки остаётся. Калибровка датчика Холла определяет связь показания с компонентой B при заданных условиях. Проверка нуля — лишь часть этой работы; для наклона, нелинейности и диапазона нужны дополнительные точки и сведения об эталонном поле.

Повторные показания дают статистическую оценку типа A; свидетельство калибровки, разрешение, допуск площади и оценка угла часто дают входы типа B. Это способы оценки, а не синонимы случайной и систематической ошибки. Все вклады приводятся к стандартным неопределённостям перед объединением.

Если известен только симметричный предел \pm a и обосновано равномерное распределение, стандартная неопределённость a/\sqrt{3}. Если приведена расширенная U с коэффициентом k, стандартная u=U/k при применимости указанного свидетельства. Нельзя без пояснения считать предел допуска стандартным отклонением.

Чувствительности измерительной модели

Для y=f(x_{1},\ldots ,x_n) коэффициенты чувствительности c_i=\partial f/\partial x_i переводят входные неопределённости в единицу результата. При независимых входах суммируют квадраты c_iu(x_i); при корреляциях добавляют ковариационные члены. Линеаризация допустима, если модель достаточно гладкая и область возможных входов достаточно узкая.

Для синусоидальной катушки \widehat{B}=E_{\mathrm{д}}/(\sqrt{2}\pi fNS). Если N достоверно посчитано, его вклад можно считать нулевым; неодинаковые площади витков остаются в эффективном NS. Для независимых E, f, N и S относительные стандартные вклады складываются квадратично.

u_c^2(y)=\sum_i c_i^2u^2(x_i)+2\sum_{i<j}c_ic_j\,u(x_i,x_j),\qquad c_i=\frac{\partial f}{\partial x_i}
(55.1)
Ковариация u(x_i,x_j) имеет знак и единицы произведения входов.
\left(\frac{u_c(\widehat B)}{\widehat B}\right)^2=\left(\frac{u(E)}E\right)^2+\left(\frac{u(f)}f\right)^2+\left(\frac{u(N)}N\right)^2+\left(\frac{u(S)}S\right)^2
(55.2)
Формула здесь относится к независимым входам и синусоидальному потоку.

Положение и угол датчика входят в результат

Датчик Холла при наклоне \alpha в однородном поле показывает B\cos \alpha. При известном \alpha можно ввести поправку; неопределённость угла переносится через производную -B\sin \alpha. Около \alpha =0 первый производный вклад исчезает, но конечный угловой разброс создаёт эффект второго порядка. Нулевой коэффициент линейной модели не означает полной нечувствительности к углу.

В неоднородном поле ошибка положения \Delta x даёт изменение порядка (\partial B/\partial x)\Delta x. В FEMM сместите виртуальный датчик на \pm u(x), сохраняя все прочие параметры. Это оценка чувствительности модели, а не автоматически стандартная неопределённость физического результата. Учитывайте пространственную активную область, а не только центральную точку.

Сравнение опыта и FEMM

Сначала приведите результаты к одной величине: одинаковая компонента, поверхность/вес, температура, ток, частота и амплитудная нормировка. Затем составьте отдельно бюджет опыта и оценку численного решения: сетка, граница, геометрия и точность обработки. Модельное расхождение и метрологическая неопределённость имеют разное происхождение.

Величина \Delta =B_{\mathrm{опыт}}-B_{\mathrm{модель}} полезна только вместе с областью применимости модели. Для независимых случайных оценок стандартные неопределённости разности объединяются квадратично; общие калибровочные входы создают корреляции. Не добавляйте условный процент «на FEMM» без исследования чувствительности.

Расширенную неопределённость указывают U=ku_c с коэффициентом охвата и основанием его выбора. Значение k=2 в учебном примере — условно выбранный коэффициент; вероятность охвата 95% не следует автоматически для любого распределения и числа повторов. В отчёте запишите результат, U, k, единицы и условия.

Численный бюджет эталонной катушки

Заданы стандартные относительные неопределённости E 0{,}5\%, S 1{,}0\%, f 0{,}1\%; N точно. При независимых входах u_r=\sqrt{(0{,}005^{2}+0{,}010^{2}+0{,}001^{2})}=1{,}122497\%. Для \widehat{B}=10\,\mathrm{мТ} получаем u_c=0{,}112250\,\mathrm{мТ} и U(k=2)=0{,}224499\,\mathrm{мТ}.

Все проценты уже стандартные; делить их дополнительно на \sqrt{3} не нужно. Если E и S положительно коррелированы с r=0{,}7, их коэффициенты в формуле B имеют противоположные знаки, поэтому ковариационный член уменьшает дисперсию. Скрипт показывает оба бюджета, а не выбирает корреляцию без доказательств.

Разобранный численный пример

Бюджет для 10 мТ

Дано. E_{\mathrm{д}}=44{,}4288294\,\mathrm{мВ}, f=50\,\mathrm{Гц}, N=100, S=200\,\mathrm{мм^2}. Независимые стандартные относительные u: 0,5%; 0,1%; 0; 1,0%.

  1. \widehat{B}=E_{\mathrm{д}}/(\sqrt{2}\pi fNS)=0{,}010\,\mathrm{Т}.

  2. u_r=\sqrt{(25+1+100)}\cdot 10^{-3}=0{,}0112249722.

  3. u_c=0{,}0001122497\,\mathrm{Т}; условно выбранный k=2 даёт U=0{,}0002244994\,\mathrm{Т}.

Ответ: \widehat{B}=10{,}00\,\mathrm{мТ}; u_c\approx 0{,}11225\,\mathrm{мТ}; U(k=2)\approx 0{,}22450\,\mathrm{мТ}.

Проверка: Площадь даёт главный квадрат вклада (100 из 126 условных единиц дисперсии). Увеличение точности частоты почти не улучшит общий бюджет.

Углублённый разбор

Виртуальная калибровка: пара Гельмгольца, конечная катушка и сердечник

Измерительный объект и калибровочный стенд

Поисковая катушка измеряет изменение магнитного потока через свои витки. Её выход — напряжение, пропорциональное скорости изменения потокосцепления. Поэтому постоянное поле неподвижной катушкой без дополнительной модуляции не измеряется. При гармоническом поле и известных частоте, площади и числе витков амплитуда напряжения позволяет восстановить среднюю нормальную индукцию.

Пара Гельмгольца — две одинаковые соосные круглые катушки с одинаковым током, расстояние между центрами которых равно радиусу. Она создаёт сравнительно однородное поле возле центра. Калибровка сопоставляет известное поле стенда и выход датчика. Нужно различать поле в точке, среднее поле по площади каждого витка и среднее потокосцепление всей многослойной обмотки.

Виртуальный стенд здесь построен непосредственно командами FEMM 5. Использована полезная идея pywinding о совместном рассмотрении стенда, катушки и сердечника; сама библиотека, её внешние зависимости и программные оболочки не нужны. Построены четыре самостоятельных магнитостатических решения: поле стенда при \mu _{r} сердечника 1 и 100, затем самоиндуктивность датчика при отключённом стенде.

От закона Био—Савара к условию Гельмгольца

Осевая составляющая поля кругового витка находится интегрированием закона Био—Савара: поперечные составляющие взаимно сокращаются, а все осевые вклады одинаковы. Для N витков и двух катушек поля суммируются. В центре первая производная по z равна нулю из-за зеркальной симметрии при любом расстоянии; именно вторая производная обнуляется при d=R.

После этого ведущая осевая неоднородность имеет четвёртый порядок по z/R. Это не означает однородности во всём пространстве или на любой площади датчика. Вне оси появляются радиальные составляющие; ошибка конечного датчика должна оцениваться интегралом, а не только двумя осевыми точками.

В конечно-элементной модели калибровочные обмотки имеют конечное сечение 1×1 мм. Формула тонкого кольца остаётся независимым приближённым ориентиром. Разницу от конечного сечения, дискретизации и внешней границы нужно отличать от погрешности измеряемого датчика.

B_z(z)=\frac{\mu_0NI R^2}{2}\left[(R^2+(z-d/2)^2)^{-3/2}+(R^2+(z+d/2)^2)^{-3/2}\right]
(55.3)
Две одинаковые катушки; R, d, z в метрах.
d=R:\quad B_0=\left(\frac45\right)^{3/2}\frac{\mu_0NI}{R},\qquad B_z(z)/B_0=1-\frac{144}{125}(z/R)^4+O((z/R)^6)
(55.4)
Нулевая вторая производная объясняет выбор расстояния, а не подменяет расчёт рабочего объёма.

Пространственное усреднение и электрический выход

Потокосцепление представляет сумму поверхностных интегралов по всем виткам. Для одинаковой площади A можно ввести эквивалентную среднюю индукцию Bavg=\Psi/(NA). Эффективная площадь реальной многослойной катушки — сумма площадей витков, а не площадь внешнего контура. Погрешность позиционирования и наклона меняет именно этот интеграл.

При фазорах \exp (j\omega t) ЭДС разомкнутой поисковой катушки равна−j\omega \Psi. Если вход измерительного прибора конечен, его сопротивление вместе с R и L обмотки образует делитель. Модуль ωNA даёт чувствительность только при высоком входном сопротивлении и отсутствии значимого влияния собственной ёмкости.

В расчёте сначала используется статический поток при 1 А стенда, затем он масштабируется на гармонический ток при предположении линейности. Это корректно для воздушной катушки на достаточно низкой частоте; для проводящего сердечника с потерями надо решать гармонику и учитывать комплексную \mu, \sigma и частотную зависимость входа.

\Psi=\sum_{k=1}^{N}\int_{S_k}\mathbf B\cdot\mathbf n\,dS,\quad\widehat E=-j\omega\widehat\Psi,\quad S_B=\frac{|E|}{|B_{ref}|}
(55.5)
B_{\mathrm{ref}} — поле калибровочного стенда без внесённого датчиком ферромагнитного возмущения.
\widehat U=\widehat E\frac{Z_{in}}{Z_{in}+R+j\omega L}
(55.6)
При приближении к собственному резонансу требуется ёмкостная модель, здесь не выполненная.

Сопротивление, индуктивность и конечный сердечник

При известной средней длине витка lturn и сечении провода Aw сопротивление R=N lturn/(σAw). Самоиндуктивность получают отдельным возбуждением датчика: L=\Psi /I при отключённой калибровочной паре. Повышение L и чувствительности сердечником может одновременно сузить полезную полосу и увеличить чувствительность к частоте, температуре и гистерезису.

Конечный сердечник размагничивается собственными полюсами. Для эллипсоидального приближения эффективная восприимчивость \chi eff=\chi/(1+Ndχ). Уже эта формула показывает, почему \mu _{r}=100 не даёт автоматически стократный прирост потока. Для цилиндра поле неоднородно, и одна постоянная Nd является приближением.

В FEMM геометрическое размагничивание вычисляется непосредственно. Поэтому в материале задают внутреннюю проницаемость, а не заранее уменьшенную эффективную, иначе размагничивание будет учтено дважды. Вставленный сердечник также меняет само калибровочное поле: его внутреннее B нельзя считать новым независимым эталоном стенда.

R=\frac{N\,2\pi r_m}{\sigma\pi d_w^2/4},\qquad L=\Psi/I,\qquad\chi_{eff}=\frac{\chi}{1+N_d\chi}
(55.7)
Последняя формула — оценка для конечного тела; новая конечно-элементная модель использует геометрию цилиндра непосредственно.

Как составить бюджет калибровки

Чувствительность зависит от тока стенда, радиуса и расстояния катушек, числа витков датчика, его площади и положения, частоты, входного сопротивления прибора и температуры. Неоднородность следует оценивать в фактическом объёме перемещения датчика. Сеточная чувствительность относится к численной модели, а неопределённость тока и геометрии — к физическому стенду.

Если величины независимы, относительные стандартные неопределённости перемножаемых коэффициентов складывают квадратично. Корреляции общего размера, температуры или калибровочного тока требуют ковариаций. Систематическую поправку на пространственное усреднение сначала применяют к результату; остаточная неопределённость поправки затем входит в бюджет.

В новом расчёте нет экспериментальных показаний, поверенного амперметра или аттестации катушек. Он показывает метод виртуальной калибровки и позволяет отделить геометрический эффект сердечника от неверного умножения на табличную \mu _{r}.

\left(\frac{u(B)}B\right)^2\simeq\left(\frac{u(U)}U\right)^2+\left(\frac{u(f)}f\right)^2+\left(\frac{u(NA)}{NA}\right)^2+u_{rel,spatial}^2
(55.8)
Формула предполагает независимые малые неопределённости и исправленные систематические эффекты.

Калибровочное поле и пространственное среднее

Дано. R=d=50 мм, N=100 в каждой катушке, I=1 А. Датчик N=100, r=4 мм, l=20 мм.

  1. Тонкие кольца дают B_{0}=1{,}7983526 мТл; FEMM без ферромагнитного сердечника —1,798 мТл, отклонение−0,00382%.

  2. При z=±10 мм поле около 1,79504 мТл, то есть ниже центра приблизительно на 0,18%.

  3. Из потокосцепления 9,03751 мкВб получено Bavg=1,798 мТл. Среднее отличается от центрального поля примерно на−0,0183%.

Ответ. При 1 кГц чувствительность разомкнутой воздушной катушки 31,5758 В/Т; при B_{\mathrm{RMS}}=1 мТл ожидается 31,576 мВ RMS.

Проверка. Это масштабирование DC-потока, а не отдельное гармоническое решение.

Что действительно даёт сердечник

Дано. Цилиндр r=3 мм, l=20 мм, \mu _{r}=100; обмотка r=4 мм,100 витков, dwire=0,1 мм.

  1. Без сердечника R=5{,}51724 Ом, L=26{,}6150 мкГн. С сердечником R не меняется, L=169{,}668 мкГн.

  2. Чувствительность относительно исходного B_{0} возрастает до 195,570 В/Т — примерно в 6,194 раза, а не в 100 раз.

  3. Поле в центре самого сердечника≈23,52 мТл, тогда как эквивалентное поле по потокосцеплению датчика≈11,14 мТл.

Ответ. Нельзя заменить пространственный поток одним B в центре сердечника. Изменения R, L и чувствительности следует рассматривать совместно.

Проверка. \mu _{r} здесь постоянная действительная; потери, нелинейность и частотная дисперсия отсутствуют.

Самостоятельное воспроизведение и расширение

  1. Запустите 01-helmholtz.py; раздельно прочитайте результаты при \mu _{r}=1 и 100.
  2. Измените расстояние пары на 0{,}8R и 1{,}2R, сравните вторую производную поля и полезный объём.
  3. Увеличьте длину датчика; сравните B(0), осевые точки и \Psi/(NA).
  4. По вычисленным R, L рассчитайте делитель для Rin=50 Ом и 1 МОм; определите, где поправка нагрузки существенна.

Ожидаемый результат. Четыре нативные модели; поле, потокосцепление, чувствительность, R, L и осевые точки.

Проверка.

  • Независимая формула Гельмгольца.
  • Геометрическая масса/площадь/длина в СИ.
  • B_{\mathrm{ref}} берётся до внесения сердечника.
Стенд Гельмгольца и поисковая катушка

Четыре DC-решения; чувствительность получена линейным гармоническим масштабированием.

Проверка программы. Программа выполнена во встроенном Python FEMM 5.0. Это ограниченная проверка указанной постановки, не эксперимент.

Скачать программу для встроенного Python FEMM 5

Для запуска сохраните необходимые файлы, сохраняя их имена и структуру подпапок:

MicroPython · FEMM 5
"""Калибровочная пара и поисковая катушка: поле, усреднение, сердечник, R и L.
Запуск внутри FEMM 5 из папки комплекта. Нужен common.py; внешних пакетов нет.
R=50 мм, расстояние=R, по 100 витков и 1 А DC; сечение каждой обмотки 1x1 мм.
Датчик: 100 витков среднего радиуса 4 мм, длина 20 мм, провод 0.1 мм.
Магнитная модель линейна; 1-кГц чувствительность выводится из DC поля,
поэтому вихревые потери и частотная проницаемость сердечника не моделируются.
"""

# Каталог сценария определяется явно: запуск не зависит от чужого CWD.
import os
import sys

os.chdir(os.path.dirname(os.path.abspath(sys.argv[0])))
exec(open("common.py").read())
folder = result_folder("results-helmholtz")
rows = []
for core_mu in [1, 100]:
    newdocument(0)
    mi_probdef(0, "millimeters", "axi", 1e-9, 1, 30)
    material("Air")
    material("Winding", sigma=58, wire_type=3, strands=1, diameter=0.1)
    material("Core", mu=core_mu)
    mi_addcircprop("Cal", 1, 1)
    mi_addcircprop("Sense", 0, 1)
    for z in [-25, 25]:
        mi_drawrectangle(49.5, z - 0.5, 50.5, z + 0.5)
        label(50, z, "Air", 0.2, "Cal", 100, 1)
    mi_drawrectangle(3.95, -10, 4.05, 10)
    label(4, 0, "Winding", 0.1, "Sense", 100, 2)
    mi_drawrectangle(0, -10, 3, 10)
    label(1.5, 0, "Core", 0.5, group=3)
    label(20, 0, "Air", 2)
    mi_makeABC(7, 200, 0, 0, 0)
    solve(folder, "calibration-mu%d" % core_mu)
    b0 = mo_getpointvalues(0, 0)[2]
    linkage = mo_getcircuitproperties("Sense")[2]
    samples = []
    for z in [-10, -5, 0, 5, 10]:
        samples.append([z, mo_getpointvalues(0, z)[2]])
    bavg = linkage / (100 * math.pi * 0.004**2)
    exact = (4 / 5) ** 1.5 * MU0 * 100 / 0.05
    row = {
        "core_mu": core_mu,
        "B0_T": b0,
        "linkage_Wb": linkage,
        "Bavg_T": bavg,
        "axis_z_mm_B_T": samples,
        "thin_loop_B0_T": exact,
        "sensitivity_V_per_T_at_1kHz": 2 * math.pi * 1000 * linkage / exact,
    }
    close_magnetic()
    # Самоиндуктивность датчика при отключённой калибровочной паре.
    opendocument(os.path.join(folder, "calibration-mu%d.fem" % core_mu))
    mi_modifycircprop("Cal", 1, 0)
    mi_modifycircprop("Sense", 1, 1)
    solve(folder, "self-mu%d" % core_mu)
    current, voltage, flux = mo_getcircuitproperties("Sense")
    row["L_H"] = flux / current
    row["R_ohm"] = voltage / current
    rows.append(row)
    close_magnetic()
    save_json(folder, rows)
assert abs(rows[0]["B0_T"] / rows[0]["thin_loop_B0_T"] - 1) < 0.02
assert rows[1]["L_H"] > rows[0]["L_H"] > 0
print(rows)

Сохранённые численные результаты: таблица JSON. Просмотр серий доступен на отдельной странице исследования.

Границы модели.

Собственные введение, выводы и геометрия. Новые результаты FEMM 5; внешние библиотеки отсутствуют. Виртуальная калибровка не является метрологической аттестацией.

Первоисточники: [69] (README; Coil и Testbench_B_Sweep. Использована предметная идея, библиотека не требуется.).

Практикум в FEMM 5

Составьте бюджет и исследуйте положение виртуального датчика

Таблица 55.1. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
u(E)/E0,5% стандартная
u(S)/S1% стандартная
u(f)/f0,1% стандартная
  1. Запустите бюджет; проверьте перевод стандартных процентов в доли и коэффициенты чувствительности.
  2. Уменьшите u(S)/S до 0,2%; предскажите новый u_c до запуска.
  3. Составьте отдельный бюджет неопределённости датчика Холла для U, U_{0}, K, температуры, угла и положения; укажите, какие входы коррелированы общей калибровкой.
  4. В однородном FEMM-эталоне сместите точку по x и y: позиционная чувствительность должна быть нулевой с численной точностью.
  5. В модели реального зазора выполните такие же смещения и отдельное уточнение сетки; не смешивайте эти две серии.
  6. Оформите результат с единицей, стандартной либо расширенной неопределённостью и условиями; степень округления согласуйте с неопределённостью.

Ожидаемый результат. При u(S)/S=0{,}2\% получается u_r=\sqrt{(0{,}005^{2}+0{,}002^{2}+0{,}001^{2})}=0{,}547723\%, u_c\approx 0{,}0547723\,\mathrm{мТ}.

Как проверить. Сдайте таблицу входов, распределений, стандартных u, чувствительностей и вкладов; исходные значения и корреляции должны быть прослеживаемы.

Обработка и анализ результатов

Как положение и калибровка датчика меняют результат?

  1. Сохраните модель калибровки, вклады бюджета и отдельную серию положений виртуального датчика.
  2. Изменяйте факторы по отдельности и составьте таблицу чувствительности; отделите численное изменение от неопределённости исходных данных.

С чем сравнить. Используйте модель измерения и правила распространения неопределённости из занятия. Разброс сценариев без вероятностного обоснования не является автоматически доверительным интервалом.

Итог работы. Бюджет с единицами, обоснованием допущений и оценкой доминирующего влияния.

Программа с русскими пояснениями: Бюджет катушки и влияние корреляции · Порядок запуска

Бюджет катушки и влияние корреляции

Комментарии различают амплитуду B и действующее напряжение, стандартные относительные неопределённости и коэффициент расширения. Знак ковариационного члена следует из противоположных знаков производных по E и A. Независимый бюджет даёт uc ≈ 0,11225 мТ; при корреляции 0,7 между E и A — около 0,07483 мТ. Коэффициент k=2 сам по себе не устанавливает вероятность охвата. Скачиваемая учебная редакция соответствует коду на странице. Исходные материалы: комплект раздела.

Python · встроенный MicroPython FEMM 5
"""Учебный бюджет стандартной неопределённости поисковой катушки.

Среда: встроенный MicroPython FEMM 5.
Вход: действующее напряжение E [В], f [Гц], N [витки], A [м²];
rE, rA, rf — стандартные относительные неопределённости в долях единицы.
Выход: JSON с B, стандартной и расширенной неопределённостями в Т.
Линеаризованная модель GUM применима к малым неопределённостям синусоиды;
число витков известно точно. Бюджет не заменяет сертификат калибровки.
"""

import json
import math

E = 0.044428829381583664
f = 50.0
N = 100
A = 2e-4
rE = 0.005
rA = 0.010
rf = 0.001
correlation = 0.7  # Коэффициент корреляции только между E и A.

# Для синусоиды E_rms = sqrt(2)*pi*f*N*A*Bpeak: находим амплитуду B.
B = E / (math.sqrt(2) * math.pi * f * N * A)

# При независимых входах складываются квадраты стандартных вкладов.
# Расширенная неопределённость U = k*uc здесь вычисляется при k=2.
ur = math.sqrt(rE * rE + rA * rA + rf * rf)
uc = B * ur

# Производные по E и A имеют разные знаки: положительная корреляция
# уменьшает дисперсию их отношения. Частоту считаем независимой.
assert -1 <= correlation <= 1, "Коэффициент корреляции вне допустимых границ"
correlated_variance = rE * rE + rA * rA + rf * rf - 2 * correlation * rE * rA
correlated_ur = math.sqrt(correlated_variance)

result = {
    "origin": "author_analytical_budget_not_instrument_certificate",
    "B_T": B,
    "relative_standard_uncertainty": ur,
    "standard_uncertainty_T": uc,
    "expanded_k2_T": 2 * uc,
    "correlated_standard_uncertainty_T": B * correlated_ur,
    "scope": "Linearized GUM model, exact turn count, independent inputs unless specified; k=2 does not automatically prove 95 percent coverage.",
}
# Проверка исходного сигнала не доказывает охват 95 % при k=2:
# для такого вывода нужны распределение и достаточные степени свободы.
assert abs(B - 0.01) < 1e-14, "Перепутаны амплитуда и действующее значение"
print(json.dumps(result))

Самостоятельная работа

Составьте бюджет для катушки или датчика Холла и протокол сравнения с FEMM: одинаковая измеряемая величина, входы, поправки, корреляции, численная чувствительность и предел применимости модели.

Критерий выполнения: Все входы приведены к стандартным неопределённостям с указанием основания. Чувствительности, знаки ковариаций и единицы проверены. Неопределённость опыта отделена от численной сходимости и модельного расхождения.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [41] — §§ 4–7: стандартная и расширенная неопределённости
  2. [52] — Размеры датчика и неоднородность поля
  3. [69] — README; Coil и Testbench_B_Sweep. Использована предметная идея, библиотека не требуется.
Пояснения и типичные ошибки
Почему нельзя все заявленные изготовителем ±допуски сразу сложить квадратично как стандартные неопределённости?

Нужно установить смысл каждого предела и распределение, привести к стандартной u и учесть корреляции. Допуск, расширенная U и стандартная u различаются.

Что означает нулевая производная по углу при \alpha =0?

Линейный вклад мал около нуля; конечное угловое рассеяние может дать эффект второго порядка. Это не доказательство отсутствия углового влияния.

Самостоятельно: два независимых стандартных относительных вклада 3% и 4%. Чему равен общий?

5%; при полной положительной корреляции и одинаковых знаках чувствительности результат был бы 7%.

На что обратить внимание

  • Предел допуска и стандартная неопределённость не равны без модели распределения.
  • Корреляции нельзя считать нулевыми только для удобства.
  • k=2 не гарантирует 95% охват во всех условиях.