СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РЕГИСТРАЦИЕЙ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G05B11/01 G01R33/14 

Изобретение относится к автоматическим системам управления для магнитных измерений и исследования характеристик магнитотвердых материалов (МТМ).

Известна универсальная автоматическая магнитоизмерительная установка, содержащая интегросумматор, блок реверса перемагничивания, намагничивающее устройство, включающее усилитель мощности и электромагнит, испытуемый образец, первичные преобразователи индукции и напряженности с подключенными к их выходам усилителями, интегратор, регистрирующий самопишущий прибор, звено обратной связи и нелинейный элемент [см. кн. Испытание магнитных материалов и систем/ Е.В.Комаров, А.Д.Покровский, В.Г.Сергеев, А.Я.Шихин. -- М.: Энергоатомиздат, 1984, c.235-236.]. Установка позволяет регистрировать на самопищущем приборе статическую петлю гистерезиса и размагничивать испытуемый образец, отключая питание электромагнита в момент равенства нулю намагниченности материала образца. Недостатком установки является то, что размагничивание получается не полным, т.к. после отключения питания электромагнита в точке коэрцитивной силы по намагниченности H_СМ, намагниченность образца возрастает по линии возврата до некоторого, всегда неравного нулю, значения намагниченности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа система управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов [см. авт.св. 742869 СССР, кл. G 05 B 11/01. Система управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов/ А.Ф.Блажков, В.Г.Сергеев, В.А.Смирнов и др. - Заявл. 16.05.77; N 2477252; Опубл. 25.06.80; Бюл.N 23.]. Устройство содержит намагничивающее устройство, электромагнит, испытуемый образец, преобразователь Холла, индукционный преобразователь, первый и второй усилители, интегратор, регистрирующий прибор, компаратор, ключи, нуль-орган и устройство управления. Система управляет процессом регистрации статических характеристик магнитотвердых материалов. Регистрация характеристик заканчивается подачей команды на обесточивание электромагнита в момент равенства нулю индукции в образце, т.е. в точке коэрцитивной силы по индукции H_СВ.

Недостатком известного устройства является следующее. Если в процессе перемагничивания образца в какой-либо точке предельной петли гистерезиса уменьшить напряженность внешнего поля H_ВН до нуля, то магнитное состояние образца будет изменяться по так называемой линии возврата [см.кн.Средства измерений магнитных параметров материалов/ В.Г.Антонов, Л.М.Петров, А.П. Щелкин. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.13], наклон которой характеризуется проницаемостью возврата μ_в. Непараллельность линии возврата к оси OH_BH определяется наличием обратимых процессов смещения магнитных доменов, величина же остаточной индукции - наличием необратимых смещений и вращения магнитных доменов. Таким образом, в случае отключения внешнего поля в точке с нулевой индукцией, образец по линии возврата перейдет в состояние с остаточной индукцией, неравной нулю, т.е. образец после испытания окажется намагниченным, что вызывает необходимость использования специальных устройств, производящих операцию размагничивания. Однако анализ процессов, происходящих при отключении внешнего магнитного поля в различных точках предельной петли гистерезиса, показывает, что можно подобрать такую точку на петле гистерезиса, отключив внешнее магнитное поле в которой, что приведет образец в состояние с нулевой остаточной индукцией. Определению указанной точки способствует тот факт, что процессы, происходящие в образце при отключении внешнего магнитного поля в любой точке петли гистерезиса, аналогичны происходящим при отключении внешнего магнитного поля в точке магнитного насыщения образца. Таким образом, если определить наклон ниспадающей части петли гистерезиса на начальном ее участке, то можно, используя его, определить искомую точку отключения внешнего магнитного поля.

Технической задачей изобретения является повышение производительности за счет совмещения операций регистрации статических магнитных характеристик испытуемого образца и операции размагничивания.

Поставленная задача решается с помощью системы управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов, содержащей последовательно соединенные намагничивающее устройство и электромагнит, внутри электромагнита находится испытуемый образец с измерительными преобразователями индукции и напряженности магнитного поля, первый и второй усилители, входы которых подключены к выходам измерительных преобразователей индукции и напряженности магнитного поля соответственно, первый ключ, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя, интегратор, первый вход которого подключен к выходу первого ключа, регистрирующий прибор, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, нуль-орган, вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй и третий ключи, компаратор, первый вход которого подключен к выходу второго ключа, распределительное устройство, вход которого подключен к выходу нуль-органа, а первый выход - к первому входу второго ключа, дополнительно снабженной аналого-цифровым преобразователем двухтактного интегрирования, цифроаналоговым преобразователем двухтактного интегрирования, цифроаналоговым преобразователем и устройством управления. Причем первый, второй и третий выходы которого подключены к входу намагничивающего устройства, ко второму входу первого ключа и ко второму входу интегратора соответственно, первый и второй входы третьего ключа подключены к выходу интегратора и третьему выходу устройства управления, выход третьего ключа соединен с вторым входом регистрирующего прибора и с вторым входом компаратора, выход которого подключен к входу устройства управления, первый, второй и третий входы аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования соединены с выходом первого усилителя, вторым выходом распределительного устройства и третьим выходом устройства управления соответственно, первый вход цифроаналогового преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования, а второй вход - с выходом второго усилителя, второй вход второго ключа соединен с выходом цифроаналогового преобразователя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования, цифроаналогового преобразователя, устройства управления и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования, цифроаналоговый преобразователь и устройства управления широко известны [Федорков Б.Г, Телец В.А. Микросхемы ЦАП м АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990, c. 320, Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер с англ. - М.: Мир, 1985, c. 572].

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемую систему управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению производительности за счет совмещения операций регистрации статических магнитных характеристик испытуемого образца и операции размагничивания. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена блок-схема системы управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов; на фиг. 2 - регистрируемая статическая характеристика МТМ; на фиг. 3 - временные диаграммы работы системы управления; на фиг. 4, 5 - примеры реализации отдельных блоков.

Система управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов (фиг. 1) содержит последовательно соединенные намагничивающее устройство 1 и электромагнит 2, внутри электромагнита 2 находится испытуемый образец 3 с измерительными преобразователями индукции 4 и напряженности 5 магнитного поля, первый 6 и второй 7 усилители, входы которых подключены к выходам измерительных преобразователей индукции 4 и напряженности 5 магнитного поля соответственно, первый ключ 8, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя 6, интегратор 9, первый вход которого подключен к выходу первого ключа 8, регистрирующий прибор 10, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя 7, нуль-орган 11, вход которого подключен к выходу второго усилителя 7, устройство управления 12, первый, второй и третий выходы которого подключены к входу намагничивающего устройства 1, ко второму входу первого ключа 8 и ко второму входу интегратора 9 соответственно, второй 13 и третий 14 ключи, компаратор 15, первый и второй входы которого подключены к выходам второго 13 и третьего 14 ключей соответственно, второй вход регистрирующего прибора 10 соединен с выходом третьего ключа 14, первый и второй входы третьего ключа 14 подключены к выходу интегратора 9 и третьему выходу устройства управления 12, выход компаратора 15 подключен к входу устройства управления 12, распределительное устройство 16, вход которого подключен к выходу нуль-органа 11, а первый выход к первому входу второго ключа 13, кроме того, аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования 17 и цифроаналоговым преобразователем 18. Причем первый, второй и третий входы аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования 17 соединены с выходами первого усилителя 6, вторым выходом распределительного устройства 16 и третьим выходом устройства управления 12 соответственно, первый вход цифроаналогового преобразователя 18 соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования 17, а второй - с выходом второго усилителя 7, второй вход второго ключа 13 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 18.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении ключи 8, 13, 14 закрыты. В процессе перемагничивания испытуемого образца 3 в момент равенства -H_max напряженности внешнего магнитного поля (точка 1 на фиг. 2 и момент t₁ на фиг. 3), создаваемого электромагнитом 2 и намагничивающим устройством 1, под управлением устройства управления 12 со второго выхода последнего поступает сигнал управления на второй вход первого ключа 8, что приводит к прохождению сигнала, пропорционального скорости изменения индукции в образце 3 с выхода первого усилителя 6 на первый вход интегратора 9. В результате этого на выходе интегратора 9 формируется напряжение U₉ на интервале времени t₁ - t₂ (фиг. 3). В момент равенства +H_max напряженности внешнего магнитного поля (точка 2' на фиг. 2 и момент t₂ на фиг. 3) с третьего выхода устройства управления 12 на вторые входы интегратора 9 и третьего ключа 14 поступает управляющий сигнал, увеличивающий в два раза коэффициент интегрирования интегратора 9 и открывающий третий ключ 14. На регистрирующем приборе 10 формируется участок петли гистерезиса графика 2' - 2 - 3 - 4 - 5 - 0 (фиг. 2). Одновременно с третьего выхода устройства управления 12 сигнал поступает и на третий вход аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования 17, в результате чего он начинает первый такт интегрирования, который заканчивается по первому импульсу с выхода нуль-органа 11, который посылается распределительным устройством 16 (в момент t₃ фиг. 3, точка 3 фиг. 2) с его второго выхода на второй вход аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования 17. В это же время (t₃ фиг. 3) начинается второй такт интегрирования, по окончании которого на первом выходе аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования 17 сформируется код, пропорциональный проницаемости возврата μ_в (т.к. μ_в = ΔB/ΔH на начальном участке петли гистерезиса приращению индукции ΔB = B_m-B_r измеряется аналого-цифровым преобразователем двухтактного интегрирования 17 в промежутке времени t₂ - t₃, в приращение напряженности внешнего магнитного поля ΔH = const и заранее известно ввиду формирования ее электромагнитом 2 и намагничивающего устройства 1 под управлением через первый выход устройства управления 12. При вторичном появлении импульса (в момент t₅ фиг. 3, точка 5 фиг. 2) на выходе нуль-органа 11, распределитель импульсов 16 посылает его на первый вход второго ключа 13, разрешая прохождение сигнала с выхода цифроаналогового преобразователя 18 на первый вход компаратора 15. Этот сигнал равен произведению напряжения, пропорционального напряженности внешнего магнитного поля, поступающего на второй вход (вход для подключения опорного напряжения) цифроаналогового преобразователя 18 и цифрового кода, приходящего на первый вход цифроаналогового преобразователя 18 с выхода аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования 17. На второй вход компаратора 15 поступает напряжение выхода интегратора 9 через третий ключ 14, пропорциональное магнитной индукции в образце. В момент равенства этих напряжений (t₆ фиг. 3, точка 6 фиг. 2) компаратор 15 выдаст на вход устройства управления 12 сигнал о прекращении процесса перемагничивания, и магнитное состояние образца изменится согласно участку 6 - 0 кривой фиг. 2. т.к. произведение μ_в. H дает индукцию, из которой петля гистерезиса при уменьшении напряженности внешнего магнитного поля до нуля по линии возврата переходит в ноль. Таким образом, в результате получаем статическую характеристику образца МТК и образец с нулевой индукцией.

Блоки, входящие в состав системы управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов, могут быть выполнены, например:
- намагничивающее устройство 1 по схеме усилителя мощности с обратной связью по току, как показано на рис.4.13 в [Шихин А.Я. Автоматические магнитоизмерительные системы. - М.: Энергия, 1977, с.136];
- электромагнит 2, любой из описанных в [Испытание магнитных материалов и систем/ Е.В.Комаров, А.Д. Покровский, В.Г. Сергеев, А.Я. Шихин. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - с.323.];
- измерительный преобразователь напряженности, как и в устройстве-прототипе, на основе датчика Холла;
- измерительный преобразователь индукции, как и в устройстве-прототипе, на основе индукционной катушки;
- первый 6 и второй 7 усилители на измерительном усилителе типа Ф8024;
- ключи 8, 13, 14 на микросхемах интегральных ключей с полевыми транзисторами серии 590КН;
- интегратор 9 по схеме, аналогичной интегратору устройства-прототипа (фиг. 1 в [авт. св. 742869 СССР, кл. G 05 B 11/01. Система управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов/ А.Ф.Блажков, В.Г.Сергеев, В.А.Смирнов и др. - Заявл.16.05.77; N 2477252; Опубл. 25.06.89; Бюл. N 23], включая блоки 13, 19, 20, 21);
- регистрирующий прибор 10 как и устройстве-прототипе двухкоординатный самописец;
- нуль-орган 11 и компаратор 15 на интегральном компараторе типа К521САЗ;
- схема устройства управления 12 (УУ) показана на фиг. 4 и содержит генератор пилообразного напряжения [Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер с англ. - М.: Мир, 1985, с.572] на м/с DA1(140УД7), DA2(140УД17), резисторах R1-R4, R6 конденсаторах C1, C2; интегратор на м/с DA2(140УД17), резисторе R6, конденсаторе C2; ключ K; формирователь синхроимпульсов на м/с DD1 (561ЛН2), резисторе R5, диоде VD; формирователь временного интервала t₁-t₆ (фиг. 3) на м/с DD2 (561 ТМ2); формирователь временного интервала t₂-t₆ (фиг. 3) на м/с DD3 (561 ТМ2). Схема работает следующим образом: с выхода генератора прямоугольных импульсов, выполненного на м/с DA1 (140УД7), резисторах R1-R4, конденсаторах C1, прямоугольные импульсы поступают на интегратор (м/с DA2(140 УД7), резистор R6, конденсатор C2), где преобразуются в пилообразное напряжение с одинаковыми временами нарастания и спада напряжения, а также с симметричным двуполярным выходным сигналом; в момент времени t₁ с формирователя синхроимпульсов на вход C триггеров DD2, DD3 поступает передний фронт прямоугольного импульса, при этом выход триггера DD2 устанавливается в состояние логической "1", выход триггера DD3 остается в состоянии логического "0"; ключ K замыкается и с 1 выхода УУ сигнал (фиг. 3) поступает на вход намагничивающего устройства; в момент t₂ с формирователя синхроимпульсов на вход C триггера DD3 поступает передний фронт прямоугольного импульса, при этом выход триггера DD3 устанавливается в состояние логической "1", в момент t₆ на вход УУ поступает положительный импульс с выхода компаратора 15, на входе R триггеров DD2, DD3 появится логическая "1" и выходы триггеров перейдут в состояние логического "0", ключ K разомкнется.

- распределительное устройство 16 на основе двоичного счетчика до двух с дифференцирующими RC-цепями на выходах;
- схема аналого-цифрового преобразователя 17 (АЦП) показана на фиг. 5 и содержит ключи K1, K2, K3, выполненные на м/с 590КН5, интегратор (м/с DA1 - ОУ 140 УД17, резистор R2, конденсатор C2), компаратор (м/с DA2 - K523CА3), схему управления (м/с DD1, DD2 - 561ТМ2, DD3 - 561 ЛА7, DD5 - 561ЛН2, C1, R1), счетчик (м/с DD4 - 561 ИЕ11), источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовых импульсов (ГТИ). Схема работает следующим образом: в момент времени t₂ с 3 выхода устройства управления 12 на 3 входе АЦП появляется сигнал управления (фиг. 3), который с помощью дифференциальной цепочки C1, R1 преобразуется в короткий положительный импульс, поступающий на S вход триггера DD2 и вход R счетчика DD4 (для сброса предыдущего показания счетчика); при этом выход триггера DD2 устанавливается в состояние логической "1", размыкая ключ K3, а также устанавливая прямой выход триггера DD1 в состояние логической "1", а инверсный в состояние логического "1", замыкается ключ K2 и напряжение с первого входа АЦП поступает на интегратор, начинается первый такт интегрирования; одновременно с этим тактовые импульсы с ГТИ поступают на вход C реверсивного счетчика DD4; в момент времени t₃ с второго выхода распределительного устройства 16 на второй вход АЦП поступает короткий положительный импульс (фиг. 3), воздействующий на R вход триггера DD1, устанавливая прямой выход триггера DD1 в состояние логического "0", а инверсный - в состояние логической "1", ключ K2 размыкается, ключ K1 замыкается и напряжение с ИОН поступает на интегратор, начинается второй такт интегрирования; одновременно на входе выбора направления счета U/D счетчика DD4 появляется логический "0", изменяя направление счета; тактовые импульсы продолжают поступать в счетчик до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не станет равно нулю и по сигналу переключения компаратора не сбросится триггер DD2, при этом тактовые импульсы перестают поступать на вход C счетчика DD4 и на выходе счетчика установится код, пропорциональный проницаемости возврата μ_в.
- цифроаналоговый преобразователь 18 на интегральной микросхеме цифроаналогового преобразователя типа 572 ПА1 в качестве опорного напряжения подается сигнал с усилителя 7.

Экспериментальные исследования макета заявляемой системы управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает повышение производительности за счет совмещения операций регистрации статических магнитных характеристик испытуемого образца и операции размагничивания.

Изобретение относится к автоматическим системам управления для магнитных измерений и исследования характеристик магнитотвердых материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении производительности за счет совмещения операций регистрации статических магнитных характеристик испытуемого образца и операции размагничивания. Система управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов содержит намагничивающее устройство, электромагнит, внутри которого находится испытуемый образец с измерительными преобразователями индукции и напряженности магнитного поля, первый и второй усилители, первый, второй и третий ключи, интегратор, регистрирующий прибор, нуль-орган, устройство управления, компаратор, распределительное устройство, аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования и цифроаналоговый преобразователь. 5 ил.

Система управления регистрацией статических характеристик магнитотвердых материалов, содержащая последовательно соединенные намагничивающее устройство и электромагнит, внутри электромагнита расположен испытуемый образец с измерительными преобразователями индукции и напряженности магнитного поля, первый и второй усилители, входы которых подключены к выходам измерительных преобразователей индукции и напряженности магнитного полч соответственно, первый ключ, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя, интегратор, первый вход которого подключен к выходу первого ключа, регистрирующий прибор, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, нуль-орган, вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй и третий ключи, компаратор, первый вход которого подключен к выходу второго ключа, распределительное устройство, вход которого подключен к выходу нуль-органа, а первый выход - к первому входу второго ключа, отличающаяся тем, что она снабжена аналого-цифровым преобразователем двухтактного интегрирования, цифроаналоговым преобразователем и устройством управления, первый, второй и третий выходы которого подключены к входу намагничивающего устройства, ко второму входу первого ключа и ко второму входу интегратора соответственно, первый и второй входы третьего ключа подключены к выходу интегратора и третьему выходу устройства управления, выход третьего ключа соединен с вторым входом регистрирующего прибора и с вторым входом компаратора, выход которого подключен к входу устройства управления, первый, второй и третий входы аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования соединены с выходом первого усилителя, вторым выходом распределительного устройства и третьим выходом устройства управления соответственно, первый вход цифроаналогового преобразователя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования, а второй вход - с выходом второго усилителя, второй вход второго ключа соединен с выходом цифроаналогового преобразователя.