Способ определения статических магнитных характеристик материала и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01R33/12 

С5) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для определения статических магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Важной задачей контроля свойств ферромагнитных материалов является создание высокоточных средств определения их статических магнитных характеристик. Это необходимо для повь1 шения качества и надежности изделий, использующих магнитные материалы Статические магнитные характеристики определяют при приемо-сдаточных испы таниях материалов, при технологическом контроле в процессе производства материала, при получении справочных данных для инженерных расчетов магнитных элементов различных устройств Определение статических магнитных характеристик сводится к получению кривых намагничивания и петли гистерезиса. Известен способ определения статических магнитных характеристик материалов, заключающийся в том, что испытуемый образец намагничивают ступенчато-изменяющимся магнитным полем и измеряют приращения магнитной индукции образца 1П. Известный способ реализуется устройством, содержащим источник ступенчато-изменяющегося тока, намагничивающую и измерительную обмотки, интегратор и регистратор. 2.. В известном техническом решении время намагничивания образца на каждой ступени и амплитуду напряженности поля ступеней выбирают заранее, до проведения испытаний. Время намагничивания образца определяют путем расчета времени перехода образца в новое магнитное состояние при изменении напряженности намагничивающего поля (времени промагничивания), причем это время зависит не только от материала образца и его геометрических размеров, но и от того, на каком участке петли гистерезиса или кривой намагничивания производится измерение, так что рассчитать необходимое время намагничивания до проведения испытаний практически невозможно. Это приводит к погрешности определения характеристик. Необходимость расчетов для каждого нового образца приводит к увеличению времени определения характеристик.,Отсутствие однозначного критерия для установки амплитуды ступеней намагничиваю щего поля также приводят к погрешности в определении характеристик. В свя зи с тем, что кривые намагничивания и петли гистерезиса как функции магнитнои индукции в образце от напряженности намагничивающего поля:В(Н) имеют участки с резко различными наклонами к оси Н, то выбор относительно небольшой амплитуды ступеней приводит к погрешности на участках с небольшим наклоном из-за малой амплитуды ЭДС в измерительной обмотке образца, сравнимой с уровнем шумов. При выборе относительно большой амплитуды Возрастает погрешность на крутых участках, так как число измеренных точек на этих участках мало и даже может отсутствовать. Опр деление требуемых для каждого участка кривой намагничивания или петли гистерезиса значений амплитуды ступеней намагничивающего поля для образца с неизвестными характеристиками невозможно, а именно такие образцы и подвергаются испытаниям. Таким образом, недостатками этого техничес кого решения являются низкая точност и малая производительность определения характеристик материалов. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения статичес ких магнитных характеристик материалов, заключающийся в том, что испытуе 1й образец намагничивают ступенчато-изменяющимся магнитным полем и измеряют приращения магнитного потока образца, причем амплитуду ступе ней намагничивающего поля устанавливают так, чтобы приращения магнитного потока образца, соответствующие каждой ступени, были равны между собой. Устройство для осуществления способа содержит последовательно сое диненные источник тока, переключател 9 ,4 тока и намагничивающую обмотку и последовательно соединенные измерительную обмотку, интегратор, выполненный в виде преобразователя напряжения в частоту и счетчика импульсову и регистратор 3. В известнсУЛ техническом решении длительность ступеней намагничивающего поля устанавливают в соответствии с временем, необходимым для измерения приращения намагничивающего поля (амплитуды ступени). Приращения магнитного потока образца измеряют в процессе изменения-напря)|(енности намагничивающего пбля между ступенями, причем скорость изменения напрях енности регулируют так, чтобы скорость изменения магнитного потока образца не превышала установленного заранее значения, т.е. обеспечивают режим перемагничивания cdB/dt const. Следовательно, перемагничивание образца происходит по квазиостатической петле гистерезиса. При этом имеет место методическая погрешность отличия квазистатической петли гистерезиса от статической из-за влияния вихревых токов. Эта погрешность зависит от скорости изменения магнитнрй индукции в образце, а таюке от материала образца и его геометрических размеров. Для того, чтобы погрешность не превышала определенного значения, необходимо перед испытанием каждого нового образца рассчитать или определить экспериментально максимально допустимую скорость изменения магнитной индукции в образце, однако точно рассчитать ее невозможно, так как обычно испытывают образцы с неизвестными характеристиками . Кроме того, необходимость расчетов или экспериментального определения максимально допустимой скорости (dB/dty увеличивает время, необходимое .для определения характеристик материала. Таким образом, к недостаткам данного технического решения, относятся низкая точность и малая производительность определения характеристик материалов. Целью изобретения является повышение точности измерения статических магнитных характеристик материала. Указанная цель достигается тем, что в способе определения статических магнитных характеристик материала путем намагничивания образца ступенчато-изменяющИмся магнитным полем и измерения приращения магнитного потока образца, намагничивание образца на каждой ступени осуществляют N0 течение времени изменения магнитного потока образца, а амплитуду напряженнос-5 ти ПОЛЯ каждой последующей ступени устанавливают в обратно пропорционал ной зависимости от длительности нама ничивания образца на предыдущей сту. nej(w. Устройство для определения статических магнитных характеристик материала, содержащее последовательно соединенные источник тока, переключа тель и намагничивающую обмотку и последовательно соединенные измерительную обмотку, интегратор и регист ратор, снабжено последовательно соединенными с измерительной обмоткой усилителем,блоком сравнения и преобразоватеЛем интервала времени в ко выход KOTopprd подключен к одному из управляющих входов переключателя, второй управляющий вход которого сое динен с выходом блока сравнения, а второй вход регистратора - с вторым выходом источника тока. Это техническое решение позволяет исключить влияние вихревых TOKQB на результаты измерения при определении статических магнитных характеристик материалов и обеспечить оптимальное (минимально возможное) время исИытания образцов различнь1х материалов и различных геометрических размеров. Исключается также необходимость в предварительном определении каких-ли бо дополнительных данных для проведения испытаний.. . На чертеж.е представлена блок схема устройства. Устройство содержит последовательно соединенные источник 1 тока переключатель 2, намагничивающую обмотку 3 испытуемого образца 4, последовательно соединенные измерительную обмотку 5 испытуемого образца , интегратор 6 и регистратор 7 а также последовательно соединенные усилитель 8, блок 9 сравнения и преобразователь 10 интервала времени в код. Регистратор 7 вторым входом подключен ко, второму выходу источника Г тока,Вход усилителя 8 соединен с измерительной обмоткой 5. Выход преобразователя 10 интервала времени в код подключен к одному из управляющих входов переключателя 2, второй управляющий вход которого соединен с выходом блока 9 сравнения. Известно, что время перехода образца в новое магнитное состояние (время промагничивания) определяется в основНОМ поверхностнь1м эффектом. При изменении напряженности намагничивающего поля в образце возникают макроскопические и микроскопические вихреиые токи, создающие свой магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку, связанному с намагничивающим полем. Это экранирующее действие вихревых токов задерживает проникновение- намагничивающего поля внутрь образца. Если образец, имеющий .измерительную обмотку, намагничивать ступенчатоизменяющимся магнитным полем, то при каждом изменении напряженности поля в измерительной обмотке индуктируется ЭДС е, равная скорости изменения магнитного потока Ф в образце, 9 Tfx ЭДС е индуктируется только при изменении магнитного потока ф в образце. Это изменение происходит в течение времени перехода образца в новое магнитное состояние при данном изменении напряженности магнитного поля. Следовательно, можно сделать вывод, что длительность импульса ЭДС в измерительной обмотке равна времени промагничивания образца. Вольт-секундная плащадь S импульса СЭДС пропорциональна приращению магнитной индукци и дВ) соответствует данному изменению напряженности ничивающе(-р поля: S I cdt ДФ k А В, где Т - длительность импульса ЭДС; k - коэффициент пропорциональности Таким образом, установлено, что если каждое следующее изменение напряженности намагничивающего поля производить после окончания импульса ЭДС, индуктированного в измерительной обмотке при предыдущем изменении напряженности, и измерять вольт-секундные лощади импульсов ЭДС, то влияние ихревых токов на результаты опрееления xapakтepиcтик исключается, оскольку изменение напряженности роизводится после установления в бразце статического магнитного сосояния и измеряются приращения .индукии в образце, соответствующие переоду от одного статического состояия в другое. При этом время испитаНИЯ данного образца получается минимальным по сравнению с другими методами со ступенчато-изменяющимся намагничивающим полем. Время промагничивания образца зависит от его толщины и пропорционально магнитной проницаемости и электропроводности материала: ta k д 6 а , где ta - время промагничивания образца;коэффициент пропорциональности;магнитная проницаемость мате риала образца; удельная электропроводность материала; толщина образца. Лля данного образца время промагничивания определяется магнитной проницаемостью, которая характеризует наклон зависимости магнитной индукции образца от напря); енности намагничивающего поля В f(H) к оси Н. I Следовательно,если устанаиливать амплитуду ступеней намагничигмощего поля в обратно пропорциональной зависимости от вpet 1 ни промагничивэния, которое равно длительности импульсов ЭДС, то можно получить достаточно бол шое число измеренных точек зависимости В f(H) на крутых участках при достаточно больших приращениях маг пологих участках нитной индукции на и, тем самым, повысить точность определения характеристик. Способ осуществляется следующим об разом. При пропускании тока по намагничивеющей обмотке 3 от источника 1 тока через переключатель 2 в намагничиваю щей обмотке 3 создается магнитное поле, которое намагничивает испытуемый образец k. Напряженность этого поля однозначно определяется значение тока в намагничивающей обмотке 3. В момент поступления сигнала переключения с выхода блока 9 сравнения в пере ключателе 2 происходит скачкообразное изменение тока, вызывающее изменение напряженности намагничивающего поля. Величина .изменения тока устанавливает ся в переключателе 2 в пределах от (1/3 - 1/5) (1/15 - 1720) 1 в зависимости от кода на ёыходе преоб разователя 10 интервала времени в код значение тока, соответству ощее максимальной напряженности намагничивающего поля, которая необходима для испытания данного класса материалов. При изменении напряженности намагничивающего поля испытуемый образец k перемагничивается, его магнитный поток Ф изменяется, и в измерительной обмотке 5 индуктируется импульс ЭДС, длительность которого равна времени изменения магнитного потока ф , дФ , dB - dt - at где k pпостоянная измерительной обмотки 5; В - индукция в образце k. Этот импульс усиливается усилителем 8 и поступает на блок 9 сравнения, в котором вырабатывается сигнал переключения в момент, когда напря : ение на выходе усилителя 8 становится равным нулевому уровню. Сигнал переключения, поступая на управляющий вход переключателя 2, определяет момент следующего изменения тока в переключателе 2. Этот сигнал поступает также на преобразователь 10 интервала времени в код, в котором формируется код, соответствующий интервалу между двумя соседними сигналами переключателя. В соответствии с этим кодом в переключателе 2 устанавливается величина приращения для следующего изменения тока так, что меньшим интервалом времени соответствуют большие приращения тока и наоборот, т.е. в обратно пропорциоHanbHoil зависимости от интервала времени. При поступлении сигнала переключения с выхода блока 9 сравнения в переключателе 2 происходит следующее изменение тока. Таким образом, формируется ступенчато-изменяющееся намагничивающее поле при намагничивании испытуемого образца k на каждой ступени в течение времени изменения магнитного потока образца, с амплитудой напряженности поля каждой следующей ступени, находящейся в обратно пропорциональной зависимости от длительности намагничивания образца на предьщуще.й ступени. Импульсы ЭДС с измерительной обмотки 5 интегрируются интегратором 6. Напряжение на выходе интегратора 6 после интегрирования каждого импульса ЭДС увеличивается пропорционально приращению магнитной индукции д8 в испытуемом образце , вызванного соот9 92ветствующим изменением напряженности намагничивающего поля, k(B -л J , n.Vнапряжение на выходе интегратора 6 после интегрирования п-го и (п+1)-г импульсов ЭДС соответственно;1Сц - постоянная интегратора 6 f.., - длительность (п+1)-го импульса, ЭДС е, )И , В tt - индукция в образце k, Напряжение с выхода интегратора 6 поступает на регистратор 7, куда одно временно поступает напряжение от исто ника 1 тока, пропорциональное напряженности намагничивающего поля. В регистраторе 7 зафиксируется зависимость магнитной индукции в испытуемом образце от напряженности намагничивающего поля. Эта зависимость и. является статической характеристикой мате риала образца t. Использование предлагаемого технического решения для определения статических магнитных характеристик мате риалов обеспечивает по сравнению с известными повышение точности определения характеристик за счет исключения влияния вихревых токов на результаты измерения, а также повышение производительности определения характеристик за счет сокращения времени испытаний. В частности, по сравнению с образцом лучшей техники обеспечивается повышение точности не менее,, чем в 2 раза, и производительности не менее, чем в 5 раз. формула изобретения 1. Способ определения статических магнитных характеристик материала путем намагничивания образца ступенчато-изменяющимся магнитным полем и измерения приращений магнитного по8тока образца, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений, намагничивание образца на каждой ступени осуществляют в течение времени изменения магнитного потбка образца, а амплитуду напряженности поля каждой последующей ступени устанавливают в обратно пропорциональной зависимости от длительности намагничивания образца на предыдущеи ступени. 2. Устройство для определения статических магнитных характеристик ма- териала, содержащее последовательно соединенные источник тока, переключатель и намагничивающую обмотку и последовательно соединенные измерительную обмотку, интегратор и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено последовательно соединенными с измерительной обмоткой усилителем,блоком сравнения и преобразователем интервала времени в код, выход которого подключен к одному из управляющих входов переключателя, второй управляющий вход которого соединен с выходом блока сравнения, а второй вход регистратора - с вторым выходом источникам тока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе Г.1. Кифер Н.И. Испытания ферромагнитных материалов. М., Энергия, 1969, с. 138-139, 163-16. 2. Зорин Д.И., Новопашенный Г.Н., Шрамков Е.Г. Пути автоматизации измерительных устройств для определения магнитных характеристик ферромагнит- ных материалов. - Труды метролопческих институтов СССР. 19б7, вып. 95(155),с-.; 163-171. З: Capptuller Horst. VoIIautoraatisches Magaetwerkstoff-Prufgeriit mit Analog - Digital - Wandlerti . , Leitschri t Шг Instrurnentenkimde, /0, 1962, HIT, 279-282.

i; г