Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнетика Российский патент 2023 года по МПК G01N27/72 

Уровень техники

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения петель магнитного гистерезиса, магнитных характеристик и кривой намагничивания стали (ферромагнетика) в локальных областях в диапазоне частот от менее 1 до 100 Гц. Известны устройства [патент RU 2381516 С1, 10.02.2010 г., патент CN 103176148 А, 02.07.2014 г., патент US 4044302, 23.08.1977 г., патент RU 2727071 С1, 17.07.2020 г.] для регистрации гистерезисных петель, содержащие по две обмотки, намотанные на едином магнитопроводе-сердечнике, измерительную и намагничивающую. Общим недостатком известных устройств является низкая точность измерений, связанная с конструктивными особенностями. Кроме того, предлагаемые в известных устройствах технические решения не имеют возможности измерения магнитных характеристик стали в локальной области объекта, а предназначены для определения интегральных характеристик стального проката в виде прутков.

Известно устройство [патент RU 2434237, 20.11.2011], для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали. Недостатком известного устройства для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали является то, что оно позволяет измерять магнитные характеристики стали с высокой точностью только на образцах, совпадающих по размеру с расстоянием между полюсами сердечника Н-образной формы. Для остальных типоразмеров изделий из стали обеспечивается достаточная точность контроля магнитных характеристик лишь в области, одинаковых по размерам и форме образцов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является принятое за прототип устройство [патент RU 2483301 С1, 22.11.2011] для регистрации петель магнитного гистерезиса. Устройство для регистрации петель магнитного гистерезиса состоит из П-образного электромагнита, состоящего из магнитопровода с отверстием-преобразователем в котором находится датчик Холла и обмоток. Между полюсами электромагнита расположен еще один датчик Холла необходимый для измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля. Однако данное решение имеет несколько недостатков, одним из которых является крупные габариты измерительной системы, что несколько усложняет проведение измерений на объекте, имеющем малые геометрические размеры или сложную геометрическую форму.

Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в обеспечении регистрации петель магнитного гистерезиса, в том числе частных петель, кривой намагничивания и других магнитных характеристик ферромагнетиков, с возможностью проведения измерений в их локальной области, и повышении точности измерений путем учета влияния габаритных размеров измерительного устройства.

Сущность изобретения

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения магнитных характеристик стали. На фиг. 2 монтажная схема преобразователя магнитной индукции заявляемого устройства. Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнетиков произвольной формы содержит: 1 - магнитный сердечник, изготовленный из аморфного материала, имеющего низкую коэрцитивную силу, порядка 0,16 А/м и магнитную проницаемость, порядка 120 тысяч, что должно обеспечить повышение точности измерений на магнитомягких материалах; 2 - намагничивающие катушки, на которые с источника питания подается регулируемое во времени напряжение, включены встречно для создания однородного магнитного поля в области измерения; 3 - чувствительный сенсор магнитного поля; 4 - паз-отверстие для размещения сенсора магнитного поля; 5 - источник питания с возможностью регулировки формы и величины выдаваемого напряжения и обратной связью с ЭВМ; 6 - микроконтроллер; 7 - ЭВМ.

При подаче электрического напряжения от регулируемого источника питания 5 на намагничивающие катушки 2 величина Н напряженности создаваемого их электрическим током внешнего магнитного поля определяется по формуле 1 как

где k - постоянная катушки, I - сила электрического тока в намагничивающих катушках.

Протекающий по намагничивающим катушкам 2 ток создает однородное поле, которое усиливается магнитным сердечником 1, создавая максимальное поле в области нахождения устройства. В случае использования (преобразователя Холла или др.) как чувствительного сенсора магнитного поля 3, его располагают в пазу, имеющем прямоугольное сечение 4. Чувствительный элемент сенсора магнитного поля 3 фиксирует тангенциальную Нт2 составляющую напряженности магнитного поля в сердечнике. Согласно [Новиков В.Ф., Хоронев И.Г., Кочегарова Г.Б. О гистерезисе тангенциальной составляющей поля ферромагнитной пластины", Деп. от 19 мая 1975 г. 11383-75], тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля рассеяния непрерывна при переходе из ферромагнетика в вакуум, следовательно, можно считать, что напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика Hi равна тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над его поверхностью H_τ1 и тангенциальной Н_τ2 составляющей напряженности магнитного поля в сердечнике Н_τ2 (формула 2)

Н_τ1- тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля над поверхностью исследуемого ферромагнетика;

Н_τ2 - тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля в сердечнике;

H_i - напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика.

С ростом внешнего намагничивающего поля Н, напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика Hi увеличивается и совпадает по направлению с Н (фиг. 3). Измеряемая величина тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния H_τ1 над поверхностью исследуемого ферромагнетика передается для обработки в микроконтроллер и далее на ЭВМ 7.

В работе [Сандомирский, С.Г. Расчет и анализ размагничивающего фактора ферромагнитных тел / С.Г. Сандомирский. - Минск: Белорусская наука, 2015. - 244 с. -ISBN 978-985-08-1862-1.] напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика Н; определяется напряженностью внешнего поля Н намагничивающих катушек и размагничивающим полем образца Н_р (формула 3)

где N - размагничивающий фактор формы ферромагнитного образца, М - намагниченность ферромагнетика (как правило) в его центре.

Таким образом, измеряя при помощи чувствительного сенсора магнитного поля 3 тангенциальную составляющую H_τ1 напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью исследуемого ферромагнетика и напряженность Н магнитного поля намагничивающих катушек 2 строится петля магнитного гистерезиса в координатах «напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика - напряженность магнитного поля намагничивающих катушек H_i=f(H)» (фиг. 3). На фиг. 3 показаны петли магнитного гистерезиса сердечников длиной 114,75,18 мм при одинаковом сечении и размагничивающим фактором формы 0,023,0,034,0,064 соответственно.

Зная размагничивающий фактор формы сердечника 1 заявляемого устройства для измерения магнитных характеристик ферромагнетика, можно при помощи обработки микроконтроллером 6 результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью исследуемого ферромагнетика H_τ1 и напряженности Н магнитного поля намагничивающих катушек получить значение величины намагниченности исследуемого ферромагнетика (формула 4)

Используя значение намагниченности ферромагнетика, можно построить петлю его магнитного гистерезиса. На основании всего сказанного можно сделать вывод, что заявляемое устройство, имеющее накладной измерительный элемент, дает сведения о величине магнитных характеристик ферромагнетика, включая петлю магнитного гистерезиса и кривую намагничивания. Простота методики их измерения позволяет осуществить легкий и технологичный контроль в локальной области исследуемого ферромагнетика.

Задачей заявляемого технического решения является измерение магнитных характеристик, включая кривую намагничивания и петлю магнитного гистерезиса, ферромагнетика в локальной области, с использованием одного сенсора магнитного поля и учетом его геометрических размеров.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства-прототипа и определении магнитных характеристик ферромагнетика.

Указанный технический результат достигается путем обеспечения возможности измерения петли гистерезиса и основной кривой намагничивания ферромагнетика, а также измерения его основных магнитных характеристик в локальной области, ограниченной размерами самого преобразователя.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Преобразователь магнитной индукции располагается на объекте контроля из стали (ферромагнетика) в области, где необходимо провести измерение его магнитных характеристик. На намагничивающие катушки (2) находящиеся на магнитном сердечнике (1) подается напряжение от управляемого источника питания (5) имеющего обратную связь с микроконтроллером (6). Наличие обратной связи между микроконтроллером и источником питания позволяет изменять величину напряжения на выходе последнего в реальном времени или задавать его изменение согласно запрограммированной функциональной зависимости. При подаче напряжения на намагничивающие катушки 2 вокруг сердечника 1 возникает магнитное поле, сосредоточенное в его объеме и локально, намагничивает ферромагнетик под преобразователем магнитной индукции. Сенсор магнитного поля (3) расположенный в пазе (4) фиксирует тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью ферромагнетика, которая пропорциональна напряженности магнитного поля внутри него. Сигнал с сенсора магнитного поля (3) поступает на вход микроконтроллера (6) после чего обрабатывается им. Обработка результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью ферромагнетика микроконтроллером проводится до получения величины намагниченности М, с учетом величины напряженности внешнего магнитного поля электрического тока намагничивающих катушек, питаемых известным напряжением. Величины напряженности внешнего поля намагничивающих катушек и намагниченности ферромагнетика с микроконтроллера 6 поступают на ЭВМ (7), где возможна их дальнейшая обработка.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнетиков содержит сердечник, выполненный из аморфной магнитной ленты с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой, имеющий прямоугольное или квадратное сечение и габаритные размеры, определяющие размагничивающий фактор формы, позволяющее по величине напряжённости магнитного поля намагничивающих катушек и тангенциальной составляющей напряжённости магнитного поля рассеяния над поверхностью ферромагнетика определить величину его намагниченности в локальной области. Технический результат – повышение точности определения величины намагниченности контролируемого ферромагнетика. 3 ил.

Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнетиков, содержащее преобразователь магнитной индукции, представляющий собой сердечник, две намагничивающие катушки, один сенсор напряженности магнитного поля, расположенный в отверстии внутри сердечника или в пазу, блок питания, подключенный к намагничивающим катушкам, осциллограф для регистрации сигнала с сенсора магнитного поля, подключенный к микроконтроллеру, имеющему возможность подключения к компьютеру, отличающееся тем, что сердечник выполнен из аморфной магнитной ленты с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой, имеющий прямоугольное или квадратное сечение и габаритные размеры, определяющие размагничивающий фактор формы, позволяющее по величине напряжённости магнитного поля намагничивающих катушек и тангенциальной составляющей напряжённости магнитного поля рассеяния над поверхностью ферромагнетика определить величину его намагниченности в локальной области.