Устройство для контроля магнитных свойств изделий Советский патент 1992 года по МПК G01R33/12 

Фмд-. /

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для контроля магнитных свойств изделий из магнитомягких материалов в форме пластин и лент, в том числе для непрерывного контроля движущейся ленты.

Известно устройство для контроля свойств магнитомягких материалов, содержащее магнитопровод из магнитомткого материала с намагничивающей обмоткой, подключенной через образцовый резистор к источнику переменного напряжения.

Недостатком известного устройства яв- ляетося низкая точность контроля изделий из материалбв с высокой магнитной проницаемостью, так как в известном устройстве априорно предполагается, что магнитная проницаемость материала магнитопровода много выше магнитной проницаемости контролируемого изделия, чем ограничен диапазон контролируемых с достаточной точностью материалов. Кроме того, известное устройство имеет низкую производительность контроля, связанную с необходимостью трудноавтоматизируемой регулировки по фазе и амплитуде токов в обмотках компенсации в процессе контроля.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для контроля магнитных свойств изделий, содержащее первый магнитопровод с намагничивающей и первой измерительной обмотками и второй магнитопровод с второй измерительной обмоткой, а также источник переменного тока, токосъемный резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом источника переменного тока и с общей шиной, а второй вывод токо- съемного резистора соединен с первым выводом намагничивающей обмотки, измеритель потока, первый выпрямитель, входы которого соединены с выводами второй измерительной обмотки, первый из которых подключен к первому выводу первой измерительной обмотки, второй выпрямитель, сумматор, вычитающий блок, двухка- нальный делитель, вход и выход первого канала которого подключены к второму выводу токосьемного резистора и входу индикатора соответственно, причем вход и выход второго канала делителя соединены с выходом сумматора и первым входом вычитающего блока выход и второй вход которого соединены с управляющим входом делителя и выходом первого выпрямителя соответственно, а выход второго выпрямителя подключен к первому входу.

Известное устройство имеет точность, недостаточную для обеспечения независимости результатов контроля от параметров замыкающих магнитопроводов, вследствие того, что снижение погрешности Дот качества контакта (немагнитных зазоров), достигаемое увеличением магнитного сопротивления замыкающих магнитопроводов (кривая 1, фиг. 3), сопровождается ростом погрешности, обусловленной падением МДС на замыкающих магнитопроводах от

потока рассеяния 1 , протекающего до ответвления в пространство по замыкающим магнитопроводам (фиг. 2), которая пропорциональна магнитному сопротивлению замыкающих магнитопроводов (фиг. 3, кривая

2). В результате суммарная погрешность (фиг. 3, кривая 3) не может быть ниже определенной величины, которая по расчетам может достигать 6-8%.

Целью изобретения является повышение точности контроля за счет снижения погрешности, связанной с рассеянием магнитного потока.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено немагнитными прокладками, размещенными на полюсах магнитопроводов, ключом,, калибровочной обмоткой, расположенной на втором магни- топроводе, блоком коррекции, вторым токо- съемным резистором, вторым вычитающим

блоком, индикатором нуля и балансным резистором, подвижный контакт которого подключен к второму выходу источника переменного тока, при этом крайние выводы балансного резистора соединены соответственно с вторым выводом намагничивающей обмотки и первым выводом калибровочной обмотки, второй вывод которой соединен с первым выводом ключа, второй вывод которого соединен с первым

выводом второго токосъемного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, вход индикатора нуля подключен к выходу второго вычитающего блока, входы которого соединены соответственно с вторым выводом первого токосъемного резистора и выходом первого канала блока коррекции, вход которого соединен с первым выводом второго токосъемного разна- бора, причем второй вывод первой

измерительной обмотки соединен с входом второго канала блока коррекции, выход которого соединен с входом второго выпрямителя, вторые выводы измерительных обмоток подключены к входам измерителя

потока, а выход первого выпрямителя соединен с вторым входом сумматора.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - распределение потоков в магнитной цепи, поясняющее работу устройства; на фиг. 3 - зависимость погрешности от магнитного сопротивления замыкающих цепей.

Устройство содержит первый магнито- провод 1 с намагничивающей 2 и первой измерительной 3 обмотками и второй маг- нитопровод А с калибровочной 5 и второй измерительной б обмотками, замыкающие контролируемое изделие 7 через немагнитные прокладки 8, расположенные на полю- сах магнитопроводов 1,4; источник 9 переменного тока, балансный резистор 10, первый 11 и второй 12 токосъемныо резисторы, ключ 13, измеритель 14 потока, первый 15 и второй 16 выпрямители, сумматор 17, первый вычитающий блок 18, двухка- нальный делитель 19, индикатор 20, блок 21 коррекции, второй вычитающий блок 22 и индикатор 23 нуля, при этом второй выход источника 9 переменного тока подключен к подвижному выводу балансного резистора 10. один из выводов которого через последовательно соединенные намагничивающую обмотку 2 и резистор 11, а второй - через последовательно соединенные калиб- ровочную обмотку 5, ключ 13 и резистор 12 подключены к общей шине и первому выходу источника 9, начала первой 3 и второй 6 измерительных обмоток соединены между собой и с общей шиной, конец второй изме- рительный обмотки 6 подключен к первым входам измерителя 14 потока и первого выпрямителя 15, выход которого соединен с вторыми входами сумматора 17 и вычитающего блока 18, а конец первой измеритель- ной обмотки 3 подключен к второму входу измерителя 14 потока и через второй канал блока 21 коррекции -к входу второго выпрямителя 16, выход которого подключен к первому входу сумматора 17, выход которого через второй канал делителя 19 соединен с первым входом вычитающего блока 18, выход которого подключен к управляющему входу делителя 19, через второй канал которого индикатор 20 подключен к выходу пер- вого токосъемного резистора 11 и к входу второго вычитающего блока 22, выход которого подключен к индикатору 23 нуля, а второй вход через первый канал блока 21 коррекции подключен к выходу второго то- косьемного резистора 12.

Устройство работает спедующим образом.

При протекании переменного тока с амплитудой I по намагничивающей обмотке 2 , в ней создается магнитодвижущая сила F l-w (w - число витков намагничивающей обмотки), создающая в первой замыкающей цепи, образованной магнитопроводом 1 и немагнитными прокладками 8, магнитный

поток, разветвляющийся на поток Фи в контролируемом образце 7 и поток во второй замыкающей цепи, образованной вторым замыкающим магнитопроводом 4 и немагнитными прокладками 8. контактирующими с ним. Для потока Ф| (фиг. 2) вблизи покосов первой замыкающей цепи, потока Ф3 и потока ( вблизи полюсов второй замыкающей цепи справедливо соотношение

Ф ФО+Ф2(1)

а для МДС Fab, приложенной к точкам а и Ь контролируемого образца (фиг 2) справедливо

Fab F- Ф/Ri-uFi.(2)

где RI - суммарное сопротивление первой замыкающей цепи, равное сумме RM - магнитного сопротивления магнитопровода 1 и RH -магнитного сопротивления немагнитных прокладок 8, а AFi дополнительное падение МДС, связанное с тем, что поток Ф(Вблизи полюсов первой замыкающей цепи отличается от потока Ф, под обмоткой 2 на величину потока Ф рассеяния с первого магнитопровода 1, который до ответвления в пространство протекает по первой замыкающей цепи и создает указанное падение МДС АР1(фиг. 2).

Величина A Fi i обеспечивается пренебрежимо малой за счет того, что магнитное сопротивление первой замыкающей цепи сосредоточивается в тонком слое немагнитных прокладок 8, магнитопровод же 1 изготавливается из материала с высокой проницаемостью и соответственно имеет малое магнитное сопротивление. В силу малой длины немагнитных прокладок 8 и расположения их на полюсах магнитопровода 1 доля Ф, потока рассеяния Фр(фиг. 2). протекающая до ответвления по немагнитным прокладкам, пренебрежимо мала по сравнению с Фр1и соответственно мало падение МДС от потока рассеяния на них, основная же часть потока рассеяния до ответвления протекает по магнитопроводу 1, где соответствующее падение МДС мало из-за малости магнитного сопротивления. Это позволяет пренебречь добавкой AFi в соотношении 2. Таким образом при сохранении достаточно большого суммарного (для отстройки от влияния зазоров меджу замыкающей цепью и контролируемым образцом) магнитного сопротивления замыкающей цепи, влияние потока рассеяния на определение М ДС Раь сводится к пренебрежимо малой величине.

Для второй замыкающей цепи, образованной вторым магнитопроводом 4 и двумя полюсными наконечниками 8, контактирующими с его полюсами, справедливо соотношение

Fab Ф2 R2 - A F2,(3)

где R2 - суммарное магнитное сопротивление второй замыкающей цепи, a AF2 - до- бавка. обусловленная падением МДС во второй замыкающей цепи от протекания по ней потока рассеяния ФРг, до его ответвления, которая также является пренебрежимо малой величиной за счет сосредоточения ос- новной доли магнитного сопротивления в тонком слое немагнитных прокладок 8. Рассуждения о справедливости этого утверждения аналогичны приведенным выше для первой замыкающей цепи.

В силу того, что магнитяые сопротивления RI и R2 первой и второй замыкающих цепей сосредоточены в тонких слоях обеспечить их одинаковыми затруднительно, так как для этого требуется обеспечить с боль- шой точностью одинаковую толщину немагнитных прокладок, толщину слоя соединения немагнитных прокладок с маг- нитопроводами 1 и 4 и, кроме того, немагнитные прокладки 8 находятся в зоне контакта с образцом 7 и подвергнуты износу, поэтому в общем случае они (Ri и R2) различаются, а значит Ri К R2, где К- заданный коэффициент, близкий к 1 и могущий изменяться по мере износа немагнит- ных прокладок 8. С учетом этого из соотношений (2) и (3) с учетом малости A FI и A F2 следует

п - с ( Ф ч

hab h W+TTW

Измерительные обмотки 3, б располагаются вблизи полюсов магнитопроводов 1 и 4 и потому ЭДС, наводимая в них, пропорциональна соответственно потокам Ф,, и Фг. В силу встречного включения обмоток 3 и 6 на измеритель 14 потока поступает разностная ЭДС, пропорциональная% потоку Ф0в контролируемом образце 7, на выходе первого выпрямителя 15 формируется постоянный уровень Da Ki -Ф (где Ki изве- стный постоянный коэффициент), а на выходе второго выпрямителя 16 формируется постоянный уровень напряжения Ui Кк КгФ (где Кк - коэффициент передачи вто- рого канала блока 21 коррекции). Одинако- вый коэффициент связи Ki для напряжений LM и U2 с потоками Ф и Ф2 обеспечивается за счет одинакового числа витков обмоток 3, б и одинакового коэффициента передачи выпрямителей 15 и 16. На выходе сумматора Сформируется постоянныйуровень + (ФЈ + КК-Ф ,), который через второй канал делителя 19 поступает на первый вход вычитающего блока 18, на

второй вход которого поступает уровень U2 Ki Ф g . В силу большого коэффициента усиления первого вычитающего блока 18 его выходной сигнал управляет коэффициентом передачи Кд делителя (одинаковым по обоим каналам)-таким образом, чтобы сравнялись сигналы на входах первого вычитающего блока 18, т.е. чтобы выполнялось условие

КД-К1( Фе+КкФ, , а значит коэффициент передачи делителя Кд автоматически устанавливается соответствующим соотношению Фа

Кп (5)

Ф2 + К|с Ф1

На второй вход делителя 19 поступает сигнал с токосъемного резистора 11, про порциональный МДС F и на вход индикато- ра 20 - сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине Ф2

VF

F(6)

Фг. + К«-Ф1

Из сравнения выражений (6) и (4) видно, что для того, чтобы индикатор 20 контролировал величину, пропорциональную падению МДС Fab, являющуюся объектом контроля, необходимо, чтобы коэффициент передачи Кк блока 21 коррекции был равен коэффициенту К, связывающему сопротивления RI и R2 соответственно первой и второй замыкающих цепей.

Установка коэффициента передачи Кк блока 21 коррекции производится в процессе калибровки устройства, осуществляемой после его изготовления и периодически с учетом возможного износа полюсных наконечников, а также в процессе метрологической аттестации устройства. Осуществляется она следующим образом. Замыкается ключ 13 и регулированием положения подвижного контакта балансного резистора 10 добиваются равенства нулю потока Ф0 (регулируемого по показаниям измерителя 14 потока), т.е. обеспечивают эквипотенциональность точек а и b (фиг. 1,2), которая означает, что для магнитодвижущих сил Ft в намагничивающей обмотке и F2 в калибровочной обмотке справедливы соотношения FI Ф,1 и F2 , а в

СИЛУ ТОГО, ЧТО Ф| Ф2(ФО 0) F1/F2

R1/R2. Сигнал с первого токосъемного резистора 11, амплитуда которого UAI пропорциональна FI(UAI K2Fi) поступает на вход второго вычитающего блока 22, на второй вход которого через первый канал блока 21 коррекции, имеющего коэффициент передачи равный Кк (равный коэффициенту передачи второго канала), поступает сигнал с второго токосъемного резистора 12, амплитуда которого Уда пропорциональна F2(UA2 К2 КК%Р2). При этом на выходе вычитающего блока 22 реализуется разностный сигнал.

Изменяют вручную коэффициент передачи К блока 21 коррекции, добиваясь нулевых показаний индикатора 23 нуля, что соответствует условию КК-К2 Р2 KJz Ft или Кк Fi/F2 и с учетом того, что при, эквипотенциальное™ точек а и b Fi/Fa Ri/R2, коэффициент передачи Кк блока 21 коррекции устанавливается обеспечивающим условие Кк Ri/R2, а значит (см. соотношение (4)), при установленном таким образом значения Кк показания индикатора 20 пропор- циональны падению МДС на контролируемом образце 7 в процессе последующего контроля.

Таким образом, устройство ставит в соответствие величине магнитного потока (индукции) в контролируемом образце 7, определяемой по показаниям измерителя 14 потока, величину падения МДС на нем (однозначно связанную с амплитудой магнитного поля), которая определяется по показаниям индикатора 20.

При этом возможность полной отстройки от влияния магнитных сопротивлений RI и R2 замыкающих цепей позволяет (как и в известном устройстве) выбрать на величину достаточно большой, чтобы отстроиться от влияния немагнитных зазоров между замыкающими цепями и контролируемым образцом. Погрешность, вносимая зазорами, в первом приближении оценивается как отношение магнитного сопротивления зазора к магнитному сопротивлению замыкающей цепи, т.е. ее зависимость от последнего описывается кривой типа представленной на фиг. 3 (кривая 1). В то же время рост магнитного сопротивления замыкающей цепи увеличивает падению МДС AF-i и A F2 (соотношения 2 и 3) от доли магнитного потока, которая частично протекает по замыкающей цепи, после чего ответвляется в межполюсное пространство. Очевидно, что как и всякое падение МДС, указанные величины ( AFi и AF2) пропорциональны магнитному сопротивлению участка, по которому протекает поток рассеяния и зависимость погрешности, обусловленной пренебрежением добавками Д FI и A F2 имеет вид. подобный кривой 2 на фиг. 3. В результате суммарная погрешность (кривая З.фиг. 3) имеет минимум, величина которого определяется ходом кривой 2.

Сосредоточение основной доли магнитного сопротивления замыкающей цепи в тонком слое немагнитных прокладок позволяет существенно снизить погрешность от

рассеяния потока (сделать ход кривой 2 более пологим) и соответственно снизить суммарную погрешность.

Для сравнительной оценки погрешно- сти прототипа и предлагаемого устройства достаточно провести следующие несложные рассуждения. Предположим, что магнитные сопротивления Ri (Ra) замыкающих цепей у устройства прототипа и у предл гэемогоустройства одинаковы, как одинаковы их геометрические размеры и приложенная к намагничивающей обмотке МДС F.

При таких условиях в ветвях магнитных цепей реализуются примерно одинаковые

для прототипа и предлагаемого устройства потоки и достаточно близкие потоки рассеяния Фр , поскольку последние при одинаковых геометрических размерах определяются приложенной МДС

Предположим, что потоки рассеяния в каждом тонком слое, параллельном образцу 7, одинаковы, это означает, что поток в замыкающей цепи линейно изменяется от величины под намагничивающей обмоткой

(расположенной на равном удалении от полюсов) до величины Ф вблизи полюсов, причем суммарный поток рассеяния в первой замыкающей цепи Фрт Ф/ -Фт . В этом случае нетрудно показать, что дополнительное падение МДС A FI, обусловленное протеканием потока Фр,по замыкающей цепи до ответвления, будет определяться выражением: AFi ФргВ1/2,

что и будет погрешностью прототипа поскольку в нем A FI не учитывалось В предлагаемом устройстве то же сопротивление замыкающей цепи создается магнитопрово- дом 1 с магнитным сопротивлением RM

0,1 Ri и двумя немагнитными прокладками 8 с суммарным сопротивлением RH 0.9R1. Если изготовить, например, магнитопровод 1 из феррита с проницаемостью 1000 Гс/Э, то нетрудно показать, что для обеспечения

условия RM/RH 1/9 суммарная длина немагнитных прокладок должна составить /1/100 длины магнитопровода 1. а значит слой, в котором замкнется поток рассеяния Фр.(фиг. 2), составит 1/100 от объема, в

котором замыкается весь поток ФР|, что означает, что поток рассеяния, прошедший через немагнитные прокладки 8, составляет не более 1/100от; суммарного потока рассеяния. Добавка A Fi в этом случае складывается из двух частей, а именно

АИ ФРГ0.1Я1 + (ФР1/ЮО) 0.9К1 01ФРГК1

т.е. в заявляемом устройстве указанная погрешность как минимум на порядок меньше.

чем в устройстве-прототипе. Очевидно, что выбрав другое соотношение Вм/Rn можно сделать погрешность еще более малой.

Таким образом, предлагаемое устройство, имея одинаковое быстродействие с прототипом, позволяет как минимум на порядок снизить погрешность, связанную с рассеянием магнитного потока и соответственно суммарную погрешность. Кромр того, возможность калибровки устройств и коррекции возможных различий в магнитных сопротивлениях замыкающих цепей также способствует снижению погрешности и облегчает метрологическое обеспечение при эксплуатации устройства.

Все это позволяет в частности решить проблему нормирования динамических магнитных характеристик прецизионных сплавов в государственных стандартах, что до сих пор не сделано из-за отсутствия объективных, метрологически обеспеченных средств контроля, вследствие чего имеют место большие экономические потери при изготовлении изделий из этих материалов. (Нормируемые в настоящее время статические характеристики не гарантируют стабильной работы в переменных магнитных полях).

Формула изобретения

Устройство для контроля магнитных свойств изделий, содержащее первый маг- нитопровод с намагничивающей и первой измерительной обмотками и второй магни- топровод с второй измерительной обмоткой, а также источник переменного тока, токосьемный резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом источника переменного тока и с общей шиной, а второй вывод токосъемного резистора соединен с первым выводом намагничивающей обмотки, измеритель потока, первый выпрямитель, входы которого соединены с выводами второй измерительной обмотки, первый из которых подключен к первому выводу первой измерительной обмотки,

второй выпрямитель, сумматор, вычитающий блок, двухканальный делитель, вход и выход первого канала которого подключены к второму выводу токосъемного резистора и

входу индикатора соответственно, причем вход и выход второго канала делителя соединены с выходом сумматора и первым входом вычитающего блока, выход и второй вход которого соединены с управляющим

входом делителя и выходом первого выпрямителя соответственно, а выход второго выпрямителя подключен к первому входу сумматора, отличающее ся тем, что. с целью повышения точности, оно снабжено

немагнитными прокладками, размещенными на полюсах магнитопроводов, ключом, калибровочной обмоткой, расположенной на втором магнитопроводе, блоком коррекции, вторым токосъемным резистором, вторым вычитающим блоком, индикатором нуля и балансным резистором, подвижный контакт которого подключен к второму выходу источника переменного тока, при этом крайние выводы балансного резистора соединены соответственно с вторым выводом намагничивающей обмотки и первым выводом калибровочной обмотки, второй вывод которой соединен с первым выводом ключа, второй вывод которого соединен с входом

первого канала блока коррекции и с первым выводом второго токосъемного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, вход индикатора нуля подключен к выходу второго вычитающего блока, входы

которого соединены соответственно с вторым выводом первого токосъемного резистора и выходом первого канала блока коррекции, причем второй вывод первой измерительной обмотки соединен с входом

второго канала блока коррекции, выход которого соединен с входом второго выпрямителя, вторые выводы измерительных обмоток подключены к входам измерителя потока, а выход первого выпрямителя соединен с вторым входом сумматора.

Изобретение касается магнитных измерений. Устройство содержит два магнито- провода 1,4. четыре обмотки 2, 3. 5, 6, полюсные накладки 8, один источник тока 9, три резистора 10-12, один ключ 13, один измеритель потока 14. два выпрямителя 15, 16, один сумматор 17, два вычитающих блока 18, 22, один делитель 19. два индикатора 20, 23. один блок коррекции 21.6--15-18-19-18.15-17- 19-20,6-14.3-14,3-6,3-21-16-17.5-13-21-22-23. 11-2-10-5,9-10, 11-12, 11-22,11-19. 3 ил.

Фие.2

Л

Фиг. 3