Устройство для измерения статических магнитных характеристик ферромагнитных материалов Советский патент 1983 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к магнитны измерениям, в частности к испытания ферромагнитных материалов и измерению их статических магнитных характеристик на стержневых цилиндрических образцах, намагничиваемых в разомкнутой цепи, и может быть использовано для- записи начальной кри вой намагничивания или петель магни .кого гистерезиса на двухкоординатно графопостроителе. Известно устройство для испытания ферромагнитных материалов при намагнич.ивании в разомкнутой магнит ной цепи, представляющее из себя вибрационный магнитометр, позволяющий измерять намагниченность (магнитный момент) шарообразных ферромагнитных образцов. Напряженность намагничивающего поля измеряется измерительным генератором L1. Получение статических магнитных характеристик вещества на основе измеренных характеристик образца связано с трудоемкой операциейрасчета внутреннего намагничивающего поля по методике Релея, которая пре полагает коэффициент размагничивания испытуемого образца известным и не зависящим от велинины намагниченности. Использование такойметодики и применение ее для измерения шарообразных образцов при удо летворительной точности ограничивае измерения слабомагнитными веществам Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для определения статичес ких магнитных характеристик ферромагнитных материалов, предназначенное для записи начальной кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса на цилиндрических образ цах при намагничивании в разомкнуто магнитной цепи. Устройство содержит последовательно соединенные регулируемый генератор постоянного тока, намагничивающую катушку и эталонный резистор, механизм возвратно-поступательных колебаний, связанный с ге нератором управляющего напряжения, три операционных усилителя, два синхронных детектора, измерительную катушку и двухкоординатный графопос роитель. В данном устройстве напряженность внутреннего намагничивающего поля ферромагнитного цилиндра определяется как разность напряженностей внешнего и размагничивающего полей. Напряженность размагничивающего поля ферромагнитного Образца в данном устройстве измеряется вбли зи наружной поверхности испытуемого образца датчиком в виде двух включенных встречно коаксиальных катушек t2 J. . Однако данному устройству свойст венна недостаточная точность измерений, обусловленная тем, что напряженность размагничивающего поля уже на расстояниях 0,2-0,8 радиуса поперечного с.ечения испытуемого цилиндрического образца от его поверхности существенно отличается от напряженности размагничивающего поля, внутри образца, а расположить блинке к поверхности образца измерительные катушки не удается вследствие необходимости обеспечения как относительного движения образца и измерительной катушки, так и высокой чувствительности. Это приводит к значительным погрешностям измерений напряженности внутреннего намагничивающего поля особенно при испытании магнитомягких материалов. Кроме того, значительная погрешность измерений напряженности внутреннего намагничивающего поля обусловлена не совсем рациональной структурой известного устройства, этр. связано в конечном итоге с тем, что сигнал, пропорциональный напряженности размагничивающего поля, пропорционален амплитуде и частоте вибрации, а .сигнал, пропорциональный напряженности внешнего, намагничивающего поля, не зависит от них. Поэтому даже небольшие изменения амплитуды и частоты вибрации могут приводить, как показывают расчеты, к значительным погрешностям измерений в области больших магнитных проницаемостей по кривой намагничивания. Цель изобретения - повышение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения статических магнитных характеристик ферромагнитных материалов, содержсщее последовательно соединенные регулируемый генератор постоянного тока, намагничивающую катушку и резистор, а также механизм возвратно-поступательных колебаний, подключённый к генератору, и соединенную с входь ми первого и второго операционных усилителей измерительную катушку, установленную внутри намагничивающей катушки соосно с ней, .причем выходы.первого и второго операционных усилителей через соответствующие синхронные детекторы подключены к входам двухкоординатного графопостроителя, а вторые входы синхронных детекторов подключены к выходу генератора, снабжено подключенными к входу первого операционного усилителя двумя дополнительными катушками, расположенными внутри намагничивающей катушки соосно с ней, причем вторая измерительная катушка закреплена на штоке механизма возвратно-поступательных движений, а третья измерительная катушка

установлена на каркасе первой измерительной катушки.

.На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - взаимное расположение намагничивающей катушки, испытуемого ферромагнитного цилиндра и измерительных катушек.

Устройство для измерения статических магнитных характеристик .ферромагнитных материалов содержит регулируемый генератор 1 постоянного тока, намагничивающую катушку .2, , резистор 3 отрицательной обратной связи потоку, механизм 4 возвратно-поступательных колебаний со штоком 5, на котором закреплен испытуемый ферромагнитный цилиндр 6 Устройство также содержит первую 7 измерительную катушку, дополнительные вторую 8 и третью 9 измеритель,ные катушки, операционные усилители 10 и 11, генератор 12, синхронные детекторы 13 и 14 и двуккоординатный графопостроитель 15. Испытуемый ферромагнитный цилиндр 6 закреплен на штоке 5 механизма 4 возвратно-поступательных колебаний и расположен в зоне однородного магнитного поля намагничивающей катушки 2 соосно с ней. Первая измерительная катушка 7 подключена через переменные резисторы к инвертирующим входам операционных усилителей 10 и 11 и расположена соосно с ферромагнитным цилиндром б так, что один ее торец находится в плоскости его центрального поперечного сечения.

Дополнительная вторая измерительная катушка 8 подключена через переменный резистор к инвертирующему входу операционного усилителя 10 и расположена на каркасе первой измерительной катушки 7.так, что плоскость ее витков лежит на расстоянии 0,1-0,2 длины от центрального поперечного сечения ферромагнитного цилиндра б. Вторая дополнительная измерительная кат.ушка 9 закреплена на штоке 5 в плоскости торца намагничивающей катушки 2 и подключе,на через переменный резистор к инвертирующему входу операционного усилителя 10. Инвертирующий вход операционного усилителя 11 через переменный резистор подключен к первой измерительной катушке 7. Выходы операционных усилителей 10 и 11 подключены соответственно через синхронные детекторы 13 и 14 к горизонтальной и вертикальной разверткам графопостроителя 15. Выход генератора 12 управляющего напряжения подсоединен к механизму 4 возврат но-поступательных колебаний и управляющим входам синхронных детекторов 13 и 14,

Для формирования сигнала, характеризующего напряженность намагничивающего поля, с.лужнт третья измерительная катушка 9, закрепленная на штоке механизма возвратно-поступательных колебаний около торца намагничивающей катушки.

5 -Сигнал, пропорциональный намагниченности, формируется первой изме. рительной катушкой 7, а сигнал, пропорциональный градиенту намагниченности, - второй измерительной ка0 ту 11кой8.

Устройство работает следующим образом.

При совершении с небольшой частотой и амплитудой линейных возврат5 но-поступательных колебаний намагниченным образом . относительно первой и второй измерительных катушек 7 и в последних наводятся переменные ЭДС, амплитуда которых равна

° е-, AfW fSoJo-s Hj,

.

5 где е и eg - ЭДС в измерительных

катушках 7 и 8; А и f - амплитуда и частота

вибрации;

MQ - магнитная постоянная; 0X - направление вибраций;

О - намагниченность; Ор - намагниченность в

центральном поперечном сечении ферромагнитного цилиндра.6;

5

Дт)

S - площадь поперечного

сечения измерительной катушки 7; Sg - площадь поперечного

сечения ферромагнитного цилиндра б; H(j - напряженность размагничивающего поля цилиндра 6 ;

Ng - число витков измерительной катшуки 8; W - плотность намотки проводов измерительной катушки 7.

Учитывая, что .для ферромагнитных Q цилиндров с соотношением длины, к диамерту большим десяти ,,

е .«AfWS Yp .

В третьей измерительной катушке 9 наводится переменная ЭДС с , амплиту; которой равна

где Ng - число витков катутаки 9; Н- - напряженность намагничившощей катушки 2 без железных сердечников.

Поскольку намагничивающая катушка 2 не имеет железных.сердечников, то можно записать

е g К- Н g ,

где К - постоянный коэффициент, определяемый величинами А, f, Ng, числом витков и конструкцией намагничивающе кату1ики 2.

Вторая. 8 и третья 9 измерительные катушки и первая измерительная катушка 7 подключены через переменные резисторы к инвертирующему входу усилителя 10, так что сигналы с первой 7 и второй 8 измерительных катушек находятся в фазе, а сигнал с третьей измерительной катушки 9 в противофазе с ними.

На выходе операционного усилителя 10 формируется сигнал равный

0 K Hg-Nj,-F(A)C(A.x)

K He-Nl, KH,

где Р(Л) - функция, зависящая от соотношения Д длины е к диаметру d цилиндра;

N

:

С(Л,х - параметр, входящий в функцию распределения намагниченности по длине цилиндра;

N - центральный коэффиПнент размагничивания ферромагнитного цилиндра. На выходе операционного усилителя 11 будет присутствовать сигнал, 5 пропорциональный намагниченности.

Сигналы с операционных усилителей 10 и 11 поступают на синхронные детекторы 13 и 14, где синхронно детектируются, и далее на входы 10 X и У двухкоординатного графопостроителя 15.

При непрерывном изменении напряженности внешнего намагничивающего

15 поля, например, по пилообразному закону- на графопостроителе 15 будет записываться петля .магнитного гистерези-са в координатах намагниченностнапряженность внутреннего намагни20 чиваюиего поля.

Основное техническое преимущество изобретения по сравнению с извесным заключается в повышении произво25 дительности и точности измерений. Повышение производительности обеспечивается как непрерывностью про цесса измерений , так и автоматическим учетом коэффициента размагни30 -чивания. Повышение точности измерений обеспечивается тем, что в устройстве автоматически учитывается зависимость коэффициента размагничивания от магнитных свойств материала испытуемых образцов.

5 I

d

7

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее последовательно соединенные регулируемый генератор постоянного тока, намагничивающую, катушку и резистор, а также механизм возвратно-поступательных колебаний, подключенный к генератору, и соединенную с входами первого и второго операционных усилителей измерительную катушку, установленную внутри намагничивающей катушки соосно с ней, причем выходы первого и второго операционных усилителей через соответствующие синхронные детекторы подключены к входам двухкоординатного графопостроителя, а вторые входы синхронных детекторов подключены к выходу генератора, отличаю-щ е е с я тем, что, с целью повы1нения точности измерений оно снабжено подключенными к входу первого операционного усилителя двумя дополнительными катушками, расположенными внутри намагничивающей катушки соосно с ней, причем вторая измериS тельная катушка закреплена на штоке (Л механизма возвратно-поступательных движений, а третья измерительная катушка установлена на каркасе первой измерительной катушки. СП 00

срие 2