Устройство для измерения магнитной восприимчивости образцов малых размеров Советский патент 1988 года по МПК G01R33/16 

-,-,л-,,/;

ш

я

N

Од

ча

Q5 О

сл

fS

IPUil

Изобретение относится: к области испытания слабомагнитных материалов и может быть использовано для измерения мап-щтной восприимчивости об-, разцов веществ и материалов, деталей и изделий геометрически правильной и неправильной формы небольших размеров (например, шариков, кубиков,винтов, шайб, шестеренок, рамок и т.п.), а также для поверки и аттестации стандартных образцов магнитной восприимчивости о

Цель изобретения - повьш1ение точности измерения.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства} на фиг.2 - кривая зависимости силы, действующей на образец, от перемещения электромапмта; на фиг. 3 - графики зависимости произве- дения магнитной индукции на градиент магнитной индукции и силы, действующей на образец, от перемещения электромагнита.

Устройство для измерения магнит- ной восприимчивости образцов малых . размеров содержит весы 1, состоящие из весочувствительного элемента - коромысла 2 и системы автоматичес кого уравновешивания груза, включаю- щей в себя последовательно соединенные преобразователь 3 отклонения, . подвидный элемент которого подвешен к одному из плеч коромысла 2, усилитель 4 сигнала отклонения, индикатор 5 и компенсатор 6, подвижный элемент которого подвешен к другому плечу коромысла 2. Весы 1 содержат изолирующий механизм 7, механически соединен- ньй с коромыслом 2. В состав устрой- ства входят также электромагнит 8 постоянного тока, размещенный на подвижной .части электромеханического привода 9 для перемещения электромагнита 8, измеритель 10 перемещения, тесламетр 11, градиентометр 12,первый умножитель 13, блок 14 запо№1нания, сумматор 15, второй умножитель 16, компаратор 17 напряжения, регулируе- мый источник 18 напряжения и блок 19 управления. Выходы тесдаметра 11 и градиентометра 12 подключены к входам первого умножителя 13, выход которого соединен с первыми входами бло ка 14 запоминания и сумматора 15,вы- ход блока 14 запоминания подключен к второму входу сумматора 15, выхо/ измерителя 10 перемещения подключен к первому входу второго умножителя

16, к второму входу которого подключен выход сумматора 15. Выход второго умножителя 16 соединен с первым входом компаратора 17 напряжения, а выход регулируемого источника 18 напряжения соединен с вторым вхо дом компаратора 17 напряжения,выход которого подключен к блоку 19 управления. Первый выход блока управления соединен с входом блокировки весов 1, который соединен с входом изолирующего меха1шзма 7, входом привода для перемещения электромагнита, а второй выход - с входом измерителя 10 перемещения и вторым входом блока 14 запоминания.

Первичные преобразователи 20 и 21 тесламетра 11 и градиентометра 21 неподвижно закреплены на щупе 22 в непосредственной близости от исследуемого образца 23, подвешенного к одному из плеч коромысла 2. Весы 1 размещены над электромагнитом 8, а образец 23 подвешен вдоль оси вертикальной симметрии полюсов электромагнита 8. Первичные преобразователи 20 и 21 расположены в плоскости, проходящей через геометрический центр образ- ца 23 (фиг.1, в виде шара) перпендикулярно вектору намагничивающего поля электромагнита 8 постоянного тока,

Устройство работает следуюш;им образом.

С помощью привода 9 поднимают или опускают электромагнит 8 до тех пор, пока образец 23 не окажется в центре зазора между полюсами электромагнита 8 в области однородного магнитного поля, которое не оказывает на него силового воздействия.Это положение является исходным для проведения измерений. С помощью изолирующего механизма 7 включают весы 1 и измеряют массу образца 23. На выходе регулируемого источника 18 напряжения устанавливают напряжение,равное в относительных единицах

S &

--- , где S - площадь под кривой

зависимости произведения магнитной индукции поля на градиент магнитной индукции в месте расположения образца 23 от перемещения электромагнита

дБ

dx

данном значении индукции в зазоре между полюсами электромагнита 8 и выбранном расстоянии между ними, п

8 В

if(x) (фиг.З) при зачисло измерений силы F (число шагов перемещений), обычно равное 10 15. (Значения S для различных значений индукций ...в зазоре между полкг- сами и расстояний между ними определяются при исследовании электромагнита и поэтому считаются известными до начала измерений). После установки требуемого напряжения на выходе регулируемого источника 18 напряжения включают блок 19 управления, который автоматически в определенной последовательности включает и выключает блоки устройства, синхронизи- руя их работу.

Сигнал с первого выхода блока 1У управления включает изолирующий механизм 7 (блокирует весы .1) и привод для перемещения электромагнита, Электромагнит 8 начинает двигаться из исходного положения вертикально вниз (вверх), перемещаясь относительно образца 23, подвешенного к коромыслу 2 весов I. Сигналы с выхо- дов тесламетра I1 и градиентометра 12, пропорциональные значениям магнитной индукции и градиенту магнитной индукции в месте расположения образца 23, поступают на первый умно житель 13, С выхода последнего сигнал, равный в относительных единицах текущему значению произведения ин-

dB дукции в на градиент индукции --5--

в зависимости от перемещения . х

электромагнита 8 В -gr:- V (х)

(фиг, З), .поступает в блок 14 запоми нания и сумматор 15, В сумматоре происходит сложение сигнала, поступающего с выхода первого умножителя 13с сигналом, хранящимся в блоке 14 запоминания, В последнем хранится сигнал равный значению произведения

dB ,- , В . .. -1-- в конце предшествующего

цикла измерения (в конце предшествующего шага перемещения электромагнита 8),

Во время первого цикла измерений (первого шага перемещения) с блока 14 запоминания в сумматор 15 поступает нулевой сигнал, С выхода суммато ра 15 сигнал, равный сумме текущего

dB , ч

значения произведения В -;з-- -

-

и значения произведения В,

dB,-., dx

в конце предшествующего ,цикла (для второго и последующих шагов), поступает на вход второго умножителя 16, На другой вход последнего поступает сигнал с выхода измерителя 10 перемещения, равный (в относительных единицах) длине X перемещения движущегося вертикально из исходного положения электромагнита 8, Второй умнояи- тель 16 перемножает поступающие на его входы сигналы с коэффициентом Oj5, С выхода второго умножителя 16 сигнал, пропорциональный на первом шаге перемещения произведению 0,5 if(x.} X (площади треугольника)

или произведению 0,5 В.

dB;-i

i-T dx

+ LfCx) (x - X j, ) на i-M шаге (площади трапеции), поступает на компаратор 17 напряжения. На первом шаге сигнал с выхода второго умнодителя 16 равен площади прямоугольного треугольника ОАС (фиг,3), у которого длина катета ОС равна текущему зна-, чению перемещения х, а длина катета СА равна ординате кривой В х - dB

X

dx

Ц (х). На втором и после2025 ЗО

35

дд , 45

50

ч

J

55

ДУЮ1ЩХ шагах сигнал с выхода второго умножителя 16 равен площади трапеции, например, на втором шаге площади трапеции х., 1 (фиг.,3), у которой длина основания х 1 равна значе-

dB, нию произведения В - --з в конце

первого шага перемещения, длина второго основания ЕД равна ординате кри-

. „ dB, ч

вой в - if(x.) при текущем

СЦ)С .

значении перемещения х, равном ОБ, а высота длине перемещения на втором шаге (Е - х).

Сигнал с выхода второго .умножителя 16 поступает на компаратор 17, в котором сравнивается с сигналом регулируемого источника 18 напряжения, . По мере перемещения электромагнита 8 напряжение на выходе второго умножителя возрастает. Как только оно достигает значения, установленного на выходе регулируемого источника 18 напряжения, срабатывает компаратор 17 напряжения и на его выходе возникает сигнал, поступаюш й в блок 19 управления. Управляющ 1е сигналы с

5137605

последнего поступают на привод 9 для перемещения электромагнита 8, изоли- рую1Щ1Р1 механизм 7, блок 14 запоминания и измеритель 10 перемещения. Электромагнит 8 останавливает.ся, весы I включаютсяJ в блоке запоминания стирается хранившееся значение напряжения (для второго и последуюг- щих шагов) и записывается значение ю

dB произведения В -:зг,- в конце теку

.dx

щего шага, измеритель 10 перемещения подготавливается для измерения длины следующего шага перемещения (обнуляется), С помощью весов 1 измеряется значение силы F (фиг.3) действующей на исследуемый образец 23 со стороны намагничивающего поля;

/ где т

m

16

- ,

т„ измеренное значение массы образца в намагничивающем поле f масса образца;

о

g ускорение свободного падени

О значении силы, действующей -на образец, судят по показаг-шям индика- трра 5 весов 1.

После измерения силы (приблизительно через 10-20 с в зависимости от заданного в блоке 19 управления времени) управляющий сигнал с блока

значения, поэтому длина последнего шага перемещения электромагнита 8 ог- рачивается с помощью концевого выключателя привода У. В конце каждого шага электромагнит 8 останавливается .и с помощью весов 1 измеряется значение силы F, при этом площади Ь,, ... под участками ломаной, построенной по результатам измерения силы F, также оказываются равнь:ми.Это

что F

или

г .в йпостоянная вели

вытекает из того,

1лга

X VB

0

где k эеУ Мо

чина для каждого образца, т.е. кривая f f(х) может быть получена

ав/ N

умножением кривой 1 гj (f()

на постоянный для данного образца коэффициент k. Поэтому площади под отрезками кривых на каждом шаге пропорциональны, а их отношение равно k.

0

В

под отрезками кривой (/(х) вычисляются в

Площади dB

dx

предлагаемом устройстве с относительно большой погрешностью, определяемой погрешностью измерения градиента поля, которая у наиболее точных

Изобретение относится к испытаниям слабомагнитных материалов.Устройство для измерения магнитной восприимчивости образцов малых размеров состоит из весов 1, содержащих коромысло 2, преобразователь 3 отклонения , усилитель 4 сигнала отклонения, индикатор 5 и компенсатор 6, изоли- рующего механизма 7, привода 9 пере- мещения электромагнита 8, измерителя 10 перемещения, тесламетра 11, градиентометра 12, умножителей 13, 16, блока 14 запоминания, сумматора 15, компаратора 17 напряжения, регулируемого источника 18 напряжения, блока 19 управления и первичных преобразователей 20 и 21 тесламетра 11. Устройство имеет высокую точность измерения. 3 ил.

управления поступает на весы 1 и при- , современных градиентометров на базе

вод 9 для перемещения электромагнита 8. Весы 1 переводятся в положение Изолирующий механизм включен (выключаются), а привод 9 включается. Начинается второй цикл измерения.

Работа предлагаемого устройства на втором и последующих циклах измерения аналогична работе на первом цикле. Б результате длина второго и последующих щагов перемещения электромагнита 8 автоматически получает, I

2

ся такой, что площади S,

БЗ и так

в несколько миллиметров имеет значение порядка 5-10%. Однако для целей управления процессом измерения такая точность вполне приемлема. Площадь

под кривой В - --S-- t(x) , используемая для определения магнитной восприимчивости исследуемого образца, вычисляется методом трапеций.по 45 результатам измерения с помощью ве- tos I силы F в конце каждого шага пе ремещения ,

далее под кривой В

dB , V -d5- ()

на втором и последующих шагах равны площади Б на первом.шаге (фиг,3), т,е. площади, равной в относительных единицах значению напряжения, заданному на выходе регулируемого источника 18 напряжения. Площадь под криdB / вой в --5 i(y-) на последнем

dx.

шаге может не достигнуть заданного

в несколько миллиметров имеет значение порядка 5-10%. Однако для целей управления процессом измерения такая точность вполне приемлема. Площадь

под кривой В - --S-- t(x) , исполь.

зуемая для определения магнитной восприимчивости исследуемого образца, вычисляется методом трапеций.по результатам измерения с помощью ве- tos I силы F в конце каждого шага перемещения ,

50

На фиг.2 и 3 иллюстрируются про-, цессы измерения площади под кривой F f(х) при равной длине шагов перемещений и при- выборе длины шагов, исходя из условий равенства площадей под отрезками кривых на каждом шаге. (Число измерений для упрощения иллкг- страции принято равным шести). На фиг. 2 изображена кривая зависимос- ,ти силы F, действующей на исследуе- .мый образец от перемещения электро-

I13

магнита F f(x), и ломаная . . F,Fj... F, построенная no результатам измерения силы в конце каждого шага перемещения. Длины шагов перемещений равны. На фиг. 3 изображена кривая зависимости произведения В х dB „ dB

X от перемещения х. В dx I -ч

(/(х), кривая F f{x) и ломаная ...F, построенная по результатам измерения силы в конце каждого шага перемещения, при выборе длины шагов такой, что площади под отрезками кривой F f(x) равны на каждом шаге.

При равной длине каждого шага перемещения площади, заключенные под отрезками ломаной, существенно отличаются друг от друга. Площади под отрезками, ограниченными точками со значениями силы, близкими к максимальному (Б5 и Sj, (|иг.2), значительно больше площадей на первом и заключительных шагах

(S,, S . S).

В то же время отличие площадей под отрезками ломаной от площадей под со ответствуюшрми отрезками кривой наиболее велико при больших значениях силы. Таким образом, погрешность определения площади (отличие площади под кривой F f(x)) от площ.ади под ломаной) не одинакова на каждом шаге. Она имеет наибольшее значение при значениях силы, близких к максимальному, т.е. на тех шагах, на которых площади под отрезками ломаной наиболее велики и составляют значительную долю всей (суммарной) площади Б. Если же выбрать длину шагов перемещения такой, что площади под отрезками кривой на каждом шаге равны площади под отрезком кривой на первом шаге (фиг.З), то погрешность определения площади существенно меньше. При такой организации процесса измерения значительно уменьшает- ся погрешность определения площади на шагах со значениями силы близкими к максимальному и значительно уменьшается доля этих участков во всей площади. Следовательно, при одном и том же числе измерений силы (числе щагов) погрешность определения площади и магнитной восприимчивости ис

8

следуемого образца с помощью предлагаемого устройства существенно (в 3-5 раз) меньше, чем с помощью известного. 15 случае сохранения точности измерения, которой обладает известное устройство, предлагаемое устрой- ство позволит за счет сокращения числа измерений (числа шагов) в 1, раза сократить время измерений .

Формула изобретения

Устройство для измерения магнитной восприимчивости образцов малых размеров, содержащее весы, электромагнит, первичньй преобразователь тесламетра, тесламетр, привод перемещения электромагнита с измерителем перемещения, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, в него введены первичный преобразователь градиентометра, градиентометр, два умножителя, блок зaпoминaния, матор, компаратор напряжений, регулируемый источник напряжения и блок управления, причем первичные преобразователи тесламетра и градиентометра установлены в электромагните около позиции размеще шя контролируемого образца на расстоянии, не превышающем максимального размера контролируемого образца, перпендакулярно вектору намагничивающего поля, выходы тесла- метра и градиентометра соединены с входами первого умножителя, выход . которого соединен с первыми входами блока запоминания и сумматора, выход блока запоминания соединен с вторым входом сумматора, выход измерителя перемещения соединен с первым входом второго умножителя, к второму входу которого подключен выход сумматора, выход второго yмIioжитeля соединен с первым входом компаратора напряжения, а регудируемый источник напряжения соединен с вторым входом компаратора напряжения, выход которого подключен к блоку управления, первый выход которого соеданен с входом блокировки весов, с входом привода перемещения электромагнита, а второй - с входом измерителя перемещения и вторым входом блока запоминания.

Редактор Н.Бобкова

Х XfXf

иг. 3

Составитель Е.Аносова

Техред М.Ходаиич Корректор Н.Король

Ч иг г

лл;

(}