ИЗМЕРИТЕЛЬ МАГНИТНОЙ ВЯЗКОСТИ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/76 G01R33/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке энергетических устройств, действие которых основано на свойстве магнитной вязкости ферромагнетиков.

Одним из интересных свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔJ в зависимости от времени t описывается формулой

где J₀ и J_∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности Н магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации. Значение τ зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10^-9 секунды до нескольких десятков часов в зависимости от технологии изготовления ферроматериалов и их структуры.

Различают два вида магнитной вязкости: диффузионный (рихтеровский) и термофлуктуационный (иордановский). В первом из них магнитная вязкость определяется диффузией примесных атомов или дефектов кристаллической структуры. Объяснение роли примесей было дано J.Snock, а более строгая теория построена L.Neel и базируется на предположении о преимущественной диффузии примесных атомов в те межатомные промежутки кристалла, которые определенным образом ориентированы относительно направления спонтанной намагниченности. Это создает локальную наведенную анизотропию, приводящую к стабилизации доменной структуры. Поэтому после изменения магнитного поля новая доменная структура устанавливается не сразу, а после диффузного перераспределения примеси, что и является причиной магнитной вязкости.

Второй вид магнитной вязкости более универсален и наблюдается практически во всех ферромагнетиках, особенно в области магнитных полей, сравнимых с коэрцитивной силой. Неелем был предложен термофлуктуационный механизм для объяснения этого вида магнитной вязкости. Тепловые флуктуации способствуют преодолению доменными стенками энергетических барьеров в магнитных полях, меньших критического поля. В высококоэрцитивных сплавах, состоящих из однодоменных областей, наблюдается особенно большая магнитная вязкость, так как в этом случае термические флуктуации сообщают дополнительную энергию для необратимого вращения спонтанной намагниченности тех частиц, потенциальная энергия которых во внешнем магнитном поле недостаточна для их перемагничивания.

Кроме этих основных механизмов магнитной вязкости существуют и другие. Например, в некоторых ферритах вклад магнитной вязкости дает перераспределение электронной плотности (диффузия электронов между ионами разной валентности). С магнитной вязкостью тесно связаны такие явления в ферромагнетиках, как потери на перемагничивание, временной спад относительной магнитной проницаемости µ и ее частотная зависимость (см., напр., Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С.В.Вонсовский, Магнетизм, М., 1971; Д.Д.Мишин, Магнитные материалы, М., 1981).

Особенное значение имеет оценка величины магнитной вязкости - постоянной τ - при разработке энергетических устройств, предложенных автором [1, 2], в которых эта величина определяет динамику работы этих устройств и возможности оптимизации их работы по критерию удельной выходной мощности с единицы объема используемого ферроматериала. В частности, в ферромагнитовязких ротаторах [2] целесообразно использовать ферритовые кольца, широко применяемые в различных радиотехнических устройствах, например в радиопередатчиках, в качестве элементов колебательных контуров с перестройкой частоты действием на ферроматериал кольца магнитным полем, изменяющим относительную магнитную проницаемость µ ферритового кольца и, следовательно, величину индуктивности колебательного контура, линейно зависящую от значения µ. Это видно из фиг.1, на котором представлена кривая Столетова - зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля µ(Н).

Работа указанных энергетических устройств происходит на ниспадающем участке характеристики µ(Н), на котором (в диапазоне от H_min до Н_max) имеем dµ/dH<0.

Целью изобретения является увеличение точности измерения постоянной магнитной вязкости τ в ферритовых кольцах в области их насыщения.

Поставленная цель достигается в устройстве-измерителе магнитной вязкости ферромагнетиков, преимущественно выполненных в виде ферритовых колец, состоящем из высокочастотного генератора с колебательным контуром, катушка индуктивности которого намотана на одной части ферритового кольца, другая часть которого помещена между полюсами магнитной системы с катушками подмагничивания, подключенными к сумматору токов, первый вход которого соединен с регулируемым источником постоянного тока, а второй его вход соединен с регулируемым по амплитуде источником переменного тока со стабилизированной частотой, в зазор между одним из полюсов магнитной системы и ферритовым кольцом помещен датчик Холла, электрически связанный с последовательно включенными усилителем переменного тока и первым компаратором, выход высокочастотного генератора подключен к последовательно включенным частотному детектору и второму компаратору, выходы первого и второго компараторов подключены к входам фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора счетных импульсов, а выход счетчика подключен к решающему процессору с индикатором.

Достижение поставленной цели объясняется исключением из процесса обработки информации влияния временного запаздывания, вносимого магнитной системой, за счет использования в устройстве практически безынерционного датчика Холла для регистрации переменной составляющей магнитного поля, действующего на ферритовое кольцо, а также использованием аналого-цифрового преобразования сигналов, вырабатываемых на выходах высокочастотного генератора и датчика Холла, с высокой разрешающей способностью отсчета интервала времени, соответствующего фазовой задержке между фронтами импульсных сигналов первого и второго компараторов и определяющего искомую величину постоянной времени магнитной вязкости ферромагнетика исследуемого ферритового кольца.

На фиг.1 представлена зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля - кривая Столетова.

На фиг.2 представлена блок-схема измерителя, содержащего следующие элементы:

1 - исследуемое ферритовое кольцо,

2 - катушка индуктивности колебательного контура,

3 - конденсатор колебательного контура,

4 - высокочастотный генератор,

5 - полюсы магнитной системы,

6 - катушки подмагничивания магнитной системы,

7 - сумматор токов,

8 - регулируемый источник постоянного тока,

9 - регулируемый по амплитуде источник переменного тока, стабилизированный по частоте колебаний,

10 - пленочный датчик Холла,

11 - усилитель переменного тока,

12 - первый компаратор,

13 - частотный детектор (с фильтром переменного тока модулирующего колебания),

14 - второй компаратор,

15 - фазовый детектор,

16 - счетчик,

17 - высокочастотный генератор счетных импульсов,

18 - решающий процессор с индикатором.

Как известно, работа энергетических устройств - ферромагнитовязких ротаторов - происходит на падающем участке кривой Столетова (фиг.1), где dµ/dt<0, при условии вращения ферромагнитовязкого диска или кольца, кромка которого помещена в ограниченное по длине кромки насыщающее ферромагнетик постоянное магнитное поле, внутри которого относительная магнитная проницаемость ферромагнетика в динамике его движения в магнитном поле изменяется по экспоненциальному закону, что приводит к смещению центра намагниченности охваченного магнитным полем ферромагнетика относительно центра притяжения магнитной системы, в результате которого возникает постоянно действующая сила, вектор которой совпадает с вектором скорости ферромагнитного вещества в магнитном поле, что способно поддерживать указанное движение (вращение ферромагнитовязкого диска или кольца). Оптимизация вращательного момента ферромагнитовязкого диска (кольца) приводит к соотношению между постоянной τ магнитной вязкости, угловой скоростью вращения диска (кольца) ω, длиной L магнитных полюсов по касательной к диску (кольцу) и радиусом R последнего, которое определяется формулой τ=L/2,5ωR. Поэтому особенно важное значение приобретает вопрос правильного подбора ферромагнетика с требуемой магнитной вязкостью (параметром τ).

При разработке технологии изготовления подходящих ферромагнетиков с требуемым значением постоянной τ важно обеспечить максимально возможный перепад относительной магнитной проницаемости ферромагнетика на рабочем участке кривой Столетова - от максимального значения µ_max при напряженности магнитного поля Н_min до минимального µ_min при напряженности магнитного поля

Н_max (фиг.1) с возможностью минимизации разности между Н_max и Н_min, что означает выбор такого ферромагнетика, для которого максимальна абсолютная величина крутизны рабочего участка кривой Столетова, то есть выполняется условие .

Рассмотрим теперь работу заявляемого технического решения.

Подбором величины постоянного тока I_DC в катушках подмагничивания 6 магнитной системы с полюсами 5 от регулируемого источника постоянного тока 8 выводят рабочую точку на середину квазилинейного участка характеристики µ(Н) при напряженности магнитного поля Н₀, полагая, что квазилинейный участок соответствует перепаду напряженностей магнитного поля от H₁ до Н₂ (этот участок на фиг.1 ограничен стрелками).

Регулировкой амплитуды переменного тока I_AC от регулируемого источника переменного тока 9 со стабилизированной частотой F₀ обеспечивают периодическое перемагничивание ферромагнетика ферритового кольца на его участке, связанном с магнитной системой, в пределах от H₁ до Н₂. Это приводит к периодической перестройке частоты в высокочастотном генераторе 4 с частотой модулирующих колебаний F₀, при этом на выходе частотного детектора 13 с фильтром переменного тока частоты F₀ выделяются колебания модулирующей частоты F₀, которые далее поступают на второй компаратор 14, фронт выходного импульса с которого жестко привязан к нулевой фазе колебания частоты F₀.

Переменная составляющая магнитного поля, действующего в магнитной системе 5, возбуждает переменное напряжение на выходе датчика Холла 10 той же частоты F₀, которое после усиления в усилителе переменного тока 11 преобразуется в форму импульса на выходе первого компаратора 12 с фронтом, жестко привязанным к нулевой фазе указанного гармонического колебания, выделенного датчиком Холла.

Выходные импульсы с первого и второго компараторов 12 и 14 поступают на входы фазового детектора 15, выполненного, например, на D-триггере. На его выходе при этом образуется импульс, длительность которого Т_имп равна разности моментов времени для фронтов входных импульсов (импульсов компарирования). Величина длительности Т_имп однозначно определяет постоянную τ магнитной вязкости ферромагнетика ферритового кольца 1. При этом исключается влияние задержки между напряженностью магнитного поля и переменным током подмагничивания, поскольку для сравнения используется не само переменное напряжение на выходе источника 9, а напряжение от датчика Холла 10, являющегося практически безынерционным элементом [3-5].

Для измерения длительности импульса Т_имп, поступающего на управляющий вход счетчика 16, на счетный вход последнего поступает периодическая последовательность импульсов от высокочастотного генератора счетных импульсов 17, так что длительность измеряемого импульса Т_имп кодируется, и этот код передается в решающий процессор с индикатором 18, отображающим результат расчета величины τ.

При модуляции частоты в высокочастотном генераторе 4 переменным магнитным полем мгновенное значение частоты f(t) выходных колебаний в высокочастотном генераторе 4 описывается уравнением

где р - некоторая константа [м], определяющая индуктивность рµ(Н) колебательного контура, С - емкость конденсатора 3 колебательного контура. При этом относительная магнитная проницаемость µ(Н) ферромагнетика в заданном квазилинейном участке изменения напряженности магнитного поля H₁<Н<Н₂ определяется уравнением

где S=dµ/dH - крутизна характеристики кривой Столетова в рабочей зоне (константа размерностью [Гн/А]).

Напряженность переменного магнитного поля в функции времени H(t)* с учетом того, что магнитная вязкость ферромагнетика проявляет свойства инерционного звена согласно (1), определяется в виде

где ξ - коэффициент преобразования [1/м], Ω₀=2πF₀ - круговая частота модулирующих колебаний. При выборе периода модулирующих колебаний Т₀=1/F₀>>τ выражение (4) упрощается к виду

С учетом (2-5) при линейном частотном детектировании в частотном детекторе 13 выходное переменное напряжение отличается от строго синусоидального (содержит высшие гармоники), но имеет ту же частоту модулирующего колебания F₀, начальная фаза которого 2πF₀(t-τ) отличается от начальной фазы 2πF₀t гармонического сигнала на выходе усилиителя переменного тока 11, соответствующего начальной фазе переменного магнитного поля H(t)* (но не начальной фазе переменного тока I_AC!).

Таким образом, фронт импульса с выхода первого компаратора 12 опережает фронт импульса с выхода второго компаратора 14 на время, равное τ. Этот интервал времени кодируется с помощью счетчика 16 и отображается решающим процессором с индикатором 18.

Важно отметить, что различные временные задержки сигналов в цепях опорного (после датчика Холла 10) и информационного (от высокочастотного генератора 4) сигналов до входов фазового детектора 15 должны обязательно учитываться при предварительной настройке рассматриваемого измерительного прибора. Для этого следует использовать ферритовое кольцо либо с пренебрежительно малой величиной магнитной вязкости по сравнению с магнитной вязкостью разрабатываемых ферритовых колец для энергетических устройств, либо с априори точно известной величиной магнитной вязкости. Это обеспечивает калибровку заявляемого измерителя. Учет вводимых калибровочных поправок возлагается на решающий процессор с индикатором 18.

Для повышения оперативности измерений партии ферритовых колец следует выполнить катушку индуктивности колебательного контура 2 разъемной конструкции, а при разбросе характеристик µ(Н) в различных ферритовых кольцах следует предусмотреть возможность подстройки колебательного контура с помощью переменного конденсатора 3, чтобы средняя частота генерируемых колебаний в высокочастотном генераторе 4 соответствовала средней частоте полосы пропускания частотного детектора 13.

Литература

1. О.Ф.Меньших. Магнитовязкий маятник. Патент РФ № 2291546, опубл. в бюлл. № 1 от 10.01.2007.

2. О.Ф.Меньших. Ферромагнитовязкий ротатор. Патент РФ № 2309527, опубл. в бюлл. № 30 от 27.10.2007.

3. И.М.Никулин, В.И.Стафеев. Физика полупроводниковых приборов, 2 изд., М., 1990.

4. О.К.Хомерики. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля, М., 1986.

5. О.Ф.Меньших. Многокаскадный синхронный детектор с кварцевым фильтром, основанный на эффекте Холла. Авт. свид. СССР № 180646, 1964.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке энергетических устройств, действие которых основано на свойстве магнитной вязкости ферромагнетиков. Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков состоит из высокочастотного генератора с колебательным контуром, катушка индуктивности которого намотана на одной части ферритового кольца, другая часть которого помещена между полюсами магнитной системы с катушками подмагничивания, подключенными к сумматору токов, первый вход которого соединен с регулируемым источником постоянного тока, а второй его вход соединен с регулируемым по амплитуде источником переменного тока со стабилизированной частотой. В зазор между одним из полюсов магнитной системы и ферритовым кольцом помещен датчик Холла, электрически связанный с последовательно включенными усилителем переменного тока и первым компаратором, выход высокочастотного генератора подключен к последовательно включенным частотному детектору и второму компаратору, выходы первого и второго компараторов подключены к входам фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора счетных импульсов, а выход счетчика подключен к решающему процессору с индикатором. Технический результат - увеличение точности измерения постоянной магнитной вязкости τ в ферритовых кольцах в области их насыщения. 2 ил.

Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков, преимущественно выполненных в виде ферритовых колец, состоящий из высокочастотного генератора с колебательным контуром, катушка индуктивности которого намотана на одной части ферритового кольца, другая часть которого помещена между полюсами магнитной системы с катушками подмагничивания, подключенными к сумматору токов, первый вход которого соединен с регулируемым источником постоянного тока, а второй его вход соединен с регулируемым по амплитуде источником переменного тока со стабилизированной частотой, в зазор между одним из полюсов магнитной системы и ферритовым кольцом помещен датчик Холла, электрически связанный с последовательно включенными усилителем переменного тока и первым компаратором, выход высокочастотного генератора подключен к последовательно включенным частотному детектору и второму компаратору, выходы первого и второго компараторов подключены к входам фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора счетных импульсов, а выход счетчика подключен к решающему процессору с индикатором.