Способ измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы /его варианты/ Советский патент 1982 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к магнитоиэмеритальной, технике и может быть использовано для измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью, в частности стержневых сердечников электромагнитных устройств.

Известен импульсно-индукционный способ измерения магнитных моментов феррообразцов, основанный на изме-рении приращения потокосцепления с измерительной обмоткой, расположенной по всей длине испытуемого образца М .

Однако использование данного способа для измерения остаточных магнитных моментов образцов связано с рядом трудностей, так как-измерение потокосцепления, по величине ко.торого определяется остаточный магнитный момент, достигается только путём; снятия с образца измерительной обмотки, что значительно усложняет процесс измерения и затрудняет его автоматизацию.

Наиболее близким к предлагаемому является-магнитометрический способ, -основанный на использовании функциональной зависимости между магнитной

индукцией поля, создаваемого образцом, и величиной его магнитного момента 2 . Согласно данному способу измеряют индукцию магнитного поля, создаваемого образцом., и определяют остаточный магнитный момент mQ(.-rn из соотношения

Гоостг k БОСТП /

где k - коэффициент, зависящий от

10 координат местонахождения измерителя магнитной индукции относительно испытуемого образца, а также закона распределения намагниченности по объему образца, определяемого его

15 формой, геометрическими размерами и магнитными свойствами (последние, в свою очередь, зависят от условий изготовления образца, способа термообработки, случай20ных механических воздействий-и др.); оотп магнитная индукция поля, создаваемого остаточным магнитным йоментом образца в месте расположения измерителя магнитной индукции.

25

Однако данный способ характеризуется недостаточной точностью. Это объясняется тем, что коэффициент k, с использованием которого определяется остаточный магнитный момент об30разца по величине измеренной магнитной индукции ПОЛЯ, зависит от характера распределения намагниченности по объему образца, который в общем случае заранее известен. Это, в свою очередь, обуславливает значительную погрешность определения коэффициента k, ci следовательно, и магнитного момента при расстояниях между измери телем магнитной индукции и испытуемым образцом, соизмеримых с габаритными размерами последнего. При удалении измерителя магнитной индукции от образца влияние рассматриваемого фактора снижается, однако приэтом происходит значительное уменьшение величины магнитной индукции, что приводит к снижению чувствительности и помехоустойчивости магнитометрического способа измерения магнитны моментов. Целью из обретения является повыше ние точности измерения остаточных ма нитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью. Поставленная цель достигается тем что согласно первому варианту способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы, основанного на измерении магнитной индукции поля, соз даваемого остаточным магнитным момен том образца, пропускают через намагничивающую обмотку знакопеременный ток с убывающей до нуля амплитудой, затем пропускают через намагничивающую обмотку постоянный ток, увеличивая его значение от нуля до установления тех же показаний, что и при измерении магнитной индукции, соответствующей остаточному магнитному моменту образца, измеряют, направление установленного тока и измеряют при этом приращениепотОкосцепления с измерительной обмотки, равномерно распределенной по всей длине образца а остаточный магнитный момент опреде ляют из соотношения - -АИ. ос-т - .где приращение потокосцепления с измерительной обмоткой; i - длина образца; W - количество витков измерительной обмотки; jWo - магнитная постоянная. Согласно второму варианту способа измерения остаточных магнитных мо ментов ферромагнитных образцов разом кнутой формы, осйованного на измерении магнитной индукции поля, создаваемого остаточным магнитным моментом образда, пропускают через намаг яичивающую обмотку ток, соответствую щий линейной части зависимости индук цки магнитного поля от тока в намаг ничивающей обмотке измеряют магнитну индукцию поля BY , направление намагничивающего тока, измеряют при этом приращение потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине образца, измеряют магнитную индукцию поля Bf, а остаточный магнитный момент образца определяют из соотношения ДУ- е в остл ° 7v5TBl где л V - приращение потокосцепления с измерительной обмоткой; - длина образца; W - количество витков измерительной обмотки; магнитная постоянная; iBq. - магнитная индукция поля, создаваемого остаточным магнитным моментом образца; В и БЗ. - магнитные индукции полей, создаваемых образцом при протекании тока в намагничивающей обмотке в прямом и обратном направлениях соответственно. Оба варианта способа предназначены дан измерения остаточных м&гнит ых моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью и основаны на измерении величин магнитной индукции полей, создаваемых остаточным маг-, нитным моментом образца и магнитным моментом образца, помещенных в намагничивающую обмотку с током, а также измерении приращения потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине испытуемого образца, при изменении направления тока в намагничивающей обмотке. Преимуществом первого способа измерения остаточных магнитных моментов является меньшее количество операций измерения индукции.магнитного поля, преимуществом второго способа является упрощение за счет- отсутствия операции размагничивания образца знакопеременным полем с убываю- щей до нули амплитудой. На чертеже изображена структурная, схема устройства для осуществления способа. Рассмотрим первый вариант способа измерения остаточных магнитных моментов Ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной ПроницаемЬстью по операциям. 1. Измеряют индукцию магнитного поля, создаваемого образцом с остаточной намагниченностью. Индукция магнитного поля Вдс-т зависимости от остаточного магнитного момента образца Гоостп определяется как п га остпп °ост - V ч В качестве измерителя магнитной индукции может быть использован., пример, феррозондовый магнитометр. Расположение измерителя магнитной индукции относительно испытуемого о разца произвольно, но неизменно в т чении всего процесса определения ос таточного магнитного момента. Выбйрается это расположение, исходя из требуемых чувствительности при изме рении остаточных магнитных моментов образцов (которая увеличивается при приближении измерителя к испытуемому образцу) и чувствительности измерителя магнитной индукции. 2.В намагничивающую обмотку, -, внутри которой расположен иаалтуэмый образец, подают знакопеременный ток с убывающей до нуля амплитудой, что приводит к уменьшению до нуля остаточного магнитного момента образца, т.е. к его .размагничиванию. 3.В намагничивающую обмотку подают ток,- величина которого устанавливается такой, чтобы показание измерителя магнитной индукции было рав но показанию, полученному при выполнении операций (расположение нзмё- . рителя индукции остается тем же, что и при выполнении операции 1). В этом случае создается опорный магнитный момент т0, численно равный остатрч, ному магнитному моменту тостп, так как коэффициент-k в выражении (1, связывающий магнитную индукцию и магнитный момент, остается неизменным при выполнении операций 1 и.-З,; а в. качестве источника магнитног э .по ля служит один и тот же образец. Маг нитная индукция поля ЕО, создаваемая опорным магнитным моментом гп, . в,. .(2)V Поскольку, согласно данному способу BO ВОСТР г а коэффициент .остается неизменным, то сравнивая соотноше ния (1) и (2), получим k- m рстп „ mQ k- BO k-Boc-m, 4. В намагничивающей обмотке изме няют направление тока, оставляя Неизменной его величину, которую определяют при выполнении операции 3. 5. При изменении направления тока в намагничивающей обмотке измеряют величину приращения потокосцепленяя с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине образца. Измеренное значение потокосцепле НИН пропорционально опорному магнитному моменту образца. Так, приращение потокорцепления при перемагничивании образца в обр атное направление (при измерении направления тока в намагничивающей обмотке) определяется выражением: 2 t BdV, () - количество витков в измерительной обмотке; t,S,V - длина, сечение и объем образца соответственно; В - магнитная индукция в образце. Учитывая, что для образцов с высокой магнитной проницаемостью .ВхУЙоМ, - магнитная постоянная; М - намагниченность, выражение (3) преобразуется в следующий вид: ф - -3 MdV л т - i (VI Интеграл в выражении (3) равен опорному магнитному моменту образца, поэтому выражение для приращения потокосцепления примет вид: о,. Л 1 - р то Кз полученного выражения следует, что результат измерения опорного маг нитного момента не зависит от характера распределения намагниченности по объему образца. Таким образом, по результатам измерения потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине образца, можно определить опорный магнитный момент испытуемого образца и, следовательно, равный ему остаточный магнитный момент. По измеренному значению приращения потокосцепления Л , используя выражение (5), определяется остаточный магнитный момент Шостп/ численно равный опорному магнитному моменту Шо, i П1остп то A4-2/2JUoW. Если число витков измерительной обмотки W выбрать таким чтобы произ-: . е ведение равнялось единице, то показания веберметра численно равны остаточному магнитному моменту испытуемого образца. Вез выполнения операции 2, т.е. без размагничивания образца, невозможно создание опорного магнитного момента, численно равного остаточному, так как при подаче в намагничивающую обмотку постоянного тока любой величины (кроме нулевой) создается опорный магнитный момент больший или меньший остаточного магнитного момента. При высокой точности измерения остаточных магнитных моментов сохраняется высока чувствительность и помехоустойчивость способа измерения, поскольку измеритель магнитной индук ции может быть расположен в непосреД

ственной близости от испытуемого обраэца, где магнитная индукция поля максимальная.

Рассмотрим второй вариант способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкну-5 той формы с высокой магнитной проницаемостью по операциям.

1.Измеряют индукцию магнитного поля, создаваемого образцом с остаточной намагниченностью. Индукция 10 магнитного поля определяется в данном случае выражением (1) . Выбор места расположения измерителя магнитной индукции производится так же, как и

в первом варианте способа. -15

2.В намагничиваюс ую обмотку подают ток в условно положительном направлении и измеряют при этом индукцию магнитного поля В , создаваемого суммой остаточного и опорного магнитных

моментов,

в -in p±-ss . (6)

Величину намагничивающего-тока выбирают такой, чтобы она соответство- 25 вала линейной части зависимости индукции магнитного поля от тока в/ намагничивающей обмотке. Наличие линейной зависимости между указанными величинами объясняется тем, что магиитная проницаемость разомкнутых образцов в машнх полях определяется коэффициентом размагничивания, вели-, чина которого при высоких значениях магнитной проницаемости вещества образца остается постоянной, поэтому в пределах линейно} зависимости индукции магни- ного поля от тока в катушке значение коэффициента k остается постоянным. При приближении образца к насьпцению, магнитная проницаемость 0/ его вещества уменьшается и значение коэффициента размагничивания меняется. Максимальное значение намагничивающего тока, при котором не происходит изменение коэффициента размагнн- 45 чивания и, следовательно, коэффициента k, является верхней границей тока, создающего опорный магнитный момент. Нижняя граница определяется, исходя из чувствительности измерите- 50 ля магнитного потокосцепления, исполь зуемого в операции 4. В этих пределах и выбирается намагничивающий ток.

3.Изменяют направление тока в намагничивакицей обмотке на противополож55 ное (условно отрицательное направление тока}.

4.При изменении направления тока в нгшагничивающей обмотке измеряют прира1 ение потокосцепления дЧ,с из- 60 мерительной обмоткой, равномерно рас пределенной по всей длине испытуемого образца. Согласно выражению (5) приращение д У пропорцион ьно, опорному магнитному моменту тпд,

5. Измеряют магнитную индукцию поля В2 при отрицательном направлении тока в намагничивающей обмотке. Величина В в этом случае пропорциональна остаточному магнитному моменту за вычетом опорного магнитного момента

тостп- о

(7)

Найдем разность между значениями индукции BI и Bj,, используя выражения (6) и (7) ,

(8) изВыражения (8) следует, что разность индукций В пропорциональна опорному магнитному моменту. Используя (8), получим

V- 1 0/04

4,-Вг. Подставляя выражения (5) и (9) в (1), получим

ПТостп - КЬосгп -Рпг- boc-m DI-DZ. .

гЬос-тя, дУ.е - лУ-б boc-m ЬгЬг pTW ()

Полученное соотношение используется при определении остаточного магнитного момента образца.

Введение дополнительных операций: размагничивания образца (в первом варианте), подачи тока определенной величины в нг1магничивающую обмотку, изменения направления этого тока и измерения при этом потокосцепления/ с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине образца, измерения индукцией магнитных полей при прямом и обратном направлениях указанного тока (во втором варианте) - позволяет повысить точность измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов с высокой магнитной проницаемостью. Повышение точности обусловлено, во-первых, тем что устраняется составляющая погрешности из-за неточного определения коэффициента k, связывающего магнитный момент и магнитную индукцию создаваемого им поля, поскольку результат измерения остаточного магнитного момента не зависит от заданного коэффициента. Во-вторых, устраняется составляющая погр ности, обусловленная характером распределения нгмагниченности по объему образца, так как измеряется непосредственно опорный маг нитный момент, равный (в первом варианте) или пропорционсшьный (во втором варианте) остаточному магнитному моменту, с помощью измерительной обмотки равномерно распределенной по всей длине образца. В то же

ремя дополнительная составляющая огрешности, возникающая при измерении приращения потокосцепления, иметь незначительную величину.

Кроме того, введение ука,занных ополнительных операций позволяет упростить подготовительные операции, так как не требуется точной установки (или определения) расстояния .межу испытуемым образцом и магнитометром, необходимо лишь сохранить это -Ю расстояние приiизмерениях магнитной индукции.. .

Устройство для реализации способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов содержит 15 источник 1 постоянного тока, переключатель 2, ключ 3, переменный резистор 4, амперметр 5, намагничивайщун) обмотку 6, испытуемый.образец 7, .измерительную обмотку 8, фёррозондовый маг-)Q нитометр 9, цифровой вольтметр 10 постоянного тока, ключ 11 и, веберметр 12.

В феррозондовом магнитометре 9 используют дифференциальный феррозонд, состоящий из двух фёрроэле- 25 ментов, длиной 50 мм, фёррозондовый преобразователь собран по известной схеме, включающей в себя генератор синусоидального тока, избирательный усилитель, синхронный детектор/ В качестве регистрирующего прибора применен цифровой вольтметр 10 пбстрянного тока. Феррозонд располагается во втором гауссовом положении, т.е. на оси, перпендикулярной продольной оси образца и проходящей через его 35 середину. Измерения проводят при расстояниях феррозонда, от образца равных 10, 15, 20, 25 см. В качестве образца используют пермалловый стержень длиной 500 мм, по всей, длине 40 которого расположена измерительная обмотка 8.

Измерения согласно первому варианту способа проводятся следующим Образом. 45

Ключ 3 замкнут, ключ 11 разомкнут. Устанавливают переключатель 2 в положение 13, в результате чего поступающий в намагничивающую обмотку 6 ток намагничивает образец 7. Q Затем переключатель 2 устанавливают в положение 14, и намагничивающая обмотка б обесточивается. При этом создается/остаточный магнитный момент, -величину которого необходимо с измерить. Образец находится в состоянии, соответствующем остаточному магнитному моменту. При помосчи вольтметра 10 регистрируют значение нэп- . ряжения с выхода феррозондовогр магнитометра 9, пропорциональное магнит- ной индукции создаваемого при этом поля. Переключатель 2 перекидивают из положения 13 в положение 15 и обратно пятнадцать раз. При этом каждый раз уменьшают напряжение вплоть 65

до нуля, поступающее от источника 1 тока.

Ключ 3 и 11 разомкнуты, переключатель 2 находится в положении 13. Изменяя сопротивление резистора 4, устанавливают значение намагничивающего тока, при котором показание вольтметра 10 соответствует показанию, указанному выше.

Ютю 3 разомкнут, ключ .11 замкнут . Перекидывают переключатель 2 в положение 15 и веберметром 12 измеряют приращение потокосцепления ЛУ с измерительной обмоткой 8. По полученному значению дУ определяют маг нитный момент, численно равный остаточному магнитному моменту тцстл

m - А У-е

Из проведенных экспериментов следует, что полученные при различных расстояниях значения остаточного магнитного момента отличаются друг от друга не более, чем на 0,5%.

Согласно, второму варианту предлаг емого способа, измерения проводятся следующим образом.

Выполняют первую и вторую операции, указанные выше.

Ключи 3 и 11 разомкнуты, переключатель 2 находится в положении 13. По намагничивающей обмотке б течет малый ток., ограниченный резистором 4 При помощи вольтметра 10 регистрируют напряжение с выхода магнитометра 9, пропорциональное индукции В.

1О1ЮЧ 3 разомкнут, ключ-11 замкнут. Перекидывают переключатель 2 в положение 15 и веберметром 12 измеряют приращение потокосцепления t. V с измерительной обмоткой 8.

При помощи вольтметра 10 регистрируют напряжение с выхода магнитометра 9, пропорциональное индукции Bj.. По полученным показаниям расчитывают остаточный магнитный момент

Вогяг

ГОг ° yUoW ()

Опреде.г1енйё остаточного магнитного момента образца по второму варианту производят при подаче в намагничивающую катушку тока в 50,100, 150 раз меньшего намагничивающего тока. Максимальное отклонение измереных значений остаточного магнитного момента не превышает 0,3%.

Использование предлагаемого способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов с высокой магнитной проницаемостью обеспечивает по сравнению с известными способс1ми повышение точности измерения при высоких чувствительности и помехоустойчивости, а также упрощение подготовительных операций.