Устройство для измерения магнитной восприимчивости образцов малых размеров

 

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, изолирующего механизма 7, привода 9 перемещения 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

<5д 4 G 01 R 33/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АBTÎPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1 3 .;, 3>

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4088199/24-21 (22) 19.05.86 (46) 23.02.88. Бюл. У 7 (72) Л.В.Лебедева, А.И.(.иняков, В.А.Субботский и А.П.Щелкин (53) 621.317.44 (088.8) (56) Антипин В.А., Ергин 10.В. Автоматические весы для измерений магнитной восприимчивости. - ЖФХ, 1978, т.52, с.229-231.

Thorpe А., Senftle F. Absolute

Method. of Measuring Magnetic Susceptibility. — The Reriev of Scientific

Instruments, 1959, ч.30, У 11, р. 1006-1008. (54) УСТРОЙСТВО Д1И ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИИЧИВОСТИ ОБРАЗЦОВ МАЛЫХ

РАЗМЕРОВ

„„SU„„3376050 А 1 (57) 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 S и компенсатор 6, изолирующего механизма ?, 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 иервичных преобразователей 20 и 21 тесламетра 11.

Устройство имеет высокую точность измерения. 3 ил.

1376050

Изобретение относится к области испытания слабомагнитных материалов и может быть использовано для измерения магнитной восприимчивости образцов веществ и материалов, деталей и изделий геометрически правильной и неправильной формы небольших размеров (например, шариков, кубиков,винтов, шайб, шестеренок, рамок и т.п.), 1О а также для поверки и аттестации стандартных образцов магнитной восприимчивости, Цель изобретения — повышение точности измерения. 15

На фиг ° 1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - кривая зависимости силы, действующей на образец, от перемещения электромагнита; на фиг. 3 - графики зависимости проиэве- 20 дения магнитной индукции на градиент магнитной индукции и силы, действующей на образец, от перемещения электромагнита.

Устройство для измерения магнитной восприимчивости образцов малых размеров содержит весы 1, состоящие из весочувствительного элемента— коромысла 2 и системы автоматичес кого уравновешивания груза, включаю- 30 щей в себя последовательно соединенные преобразователь 3 откпонения, подвижный 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. Бесы 1 содержат изолирую— щий механизм 7, механически соединенный с коромыслом 2. В состав устрой- 40 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 запоминания, сумматор 15, второй умножитель 16, компаратор 17 напряжения, регулируе- мый источник 18 напряжения и блок !9 управления. Выходы тесламетра 11 и градиентометра 12 подключены к входам первого умножителя 13, выход которого соединен с первыми входами бло ка 14 запоминания и сумматора 15,выход 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 входом компар атор а 1 7 напряжения, выход которого подключен к блоку 19 управления. Первый выход блока управления соединен с входом блокировки весов 1, который соединен с входом изолирующего механизма 7, входом при- вода 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 образца 23 (фиг.l, в виде шара) перпендикулярно вектору намагничивающего поля электромагнита 8 постоянного тока

Устройство работает следующим обр аз ом.

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 н измеряют массу образца 23. На выходе регулируемого источника 18 напряжения устанавливают напряжение,рав" ное в относительных единицах

8b

rpe S площадь под кривой

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

d3

8  — — — = ((х) (фиг.3) при зао.х данном значении индукции в зазоре между полюсами электромагнита 8 и выбранном расстоянии между ними, и

1376050 число измерений силй У (число шагов перемещений ), обычно равное 1015. (Значения Я для различных знаи чений индукций ...в зазоре между полюсами и расстояний между ними определяются при исследовании электромагнита и поэтому считаются известными до начала измерений). После установки требуемого напряжения на выходе 10 регулируемого источника 18 напряжения включают блок 19 управления, который автоматически в определенной последовательности включает и выключает блоки устройства, синхронизи- 15 руя их работу.

Сигнал с первого выхода блока 19 управления включает изолирующий механизм 7 (блокирует весы .1) и привод для перемещения электромагнита, 20

Электромагнит 8 начинает двигаться из исходного положения вертикально вниз (вверх), перемещаясь относительно образца 23, подвешенного к коромыслу 2 весов 1. Сигналы с выхо- 25 дов тесламетра 11 и градиентометра

12, пропорциональные значениям магнитной индукции и градиенту магнитной индукции в месте расположения образца 23, поступают на первый умно- 30 житель 13 ° С выхода последнего сигнал, равный в относительных единицах текущему значению произведения индБ дукции В на градиент индукции — —35 в зависимости от перемещения . х

dB электромагнита 8 В - — - = p (х) дх

{фиг.3), поступает в блок 14 запоми-40 нания и сумматор 15. В сумматоре происходит сложение сигнала, поступающего с выхода первого умножителя 13 с сигналом, хранящимся в блоке 14 запоминания. В последнем хранится сигнал, 45 равный значению произведения

dB 1 1

В . -. — — — — в конце предшествующего

dx 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 сигнап. С выхода суммато-,55 ра 15 сигнал, равный сумме текущего

dB значения произведения В . — — - = g(x) дх и значения произведения В . дВ 1-1

1-1 д.х в конце предшествующего цикла (для второго и последующих шагов), поступает на вход второго умноллтеля 16.

На другой вход последнего поступает сигнал с выхода измерителя 10 перемещения, равный (в относительных единицах) длине х перемещения движущегося вертикально из исходного положения электромагнита 8. Второй умножитель 16 перемножает поступающие на его входы сигналы с коэффициентом

0,5. С выхода второго умножителя 16 сигнал, пропорциональный на первом шаге перемещения произведению

0,5 4(х) - х (площади треугольника) или произведению 0,5 (В . ††: — + дВ 1-1

dx

+ q (х)) (х — х;, ) íà i-м шаге (площади трапеции), поступает на компаратор 17 напряжения. На первом шаге сигнал с выхода второго умножитепя

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 дВ х — — - = ((х). На втором и послеdx дующих шагах сигнал с выхода второго умножителя 16 равен площади трапеции, например, на втором шаге площади трапеции х,1 DE (фиг.3), у которой длина основания х,1 равна значеdB „ нию произведения В - — — — в конце

1 дх первого шага перемещения, длина второго основания ЕД равна ординате криdB вой  — - — = у(х) при текущем дх, з начении перемещения х, р авном ОЕ, а высота — длине перемещения на втором шаге (К вЂ” х,).

Сигнап с выхода второго .умножителя 16 поступает на компаратор 17, в котором сравнивается с сигналом регу" лируемого источника 18 напряжения.

По мере перемещения электромагнита

8 напряжение .на выходе второго умножителя возрастает. Как только оно достигает значения, у стано вленно го на выходе регулируемого источника 18 напряжения, срабатывает компаратор

17 напряжения и на его выходе возникает сигнал, поступающий в блок 19 управления. управляющие сигналы с

5 1376050 последнего поступают на привод 9 для перемещения электромагнита 8, изолирующий механизм 7, блок 14 запоминания и измеритель 10 перемещения.

Электромагнит 8 останавливается, весы 1 включаются, в блоке запоминания стирается хранившееся значение напряжения (для второго и последующих шагов) и записывается значение 10

dB произведения В . — — — в конце текус1х щего шага, измеритель 10 перемещения подготавливается для измерения длины следующего шага перемещения (обнуляется). С помощью весов 1 из меряется значение силы У, (фиг.3), действующей на исследуемый образец

23 со стороны намагничивающего поля:

m g - ш g где ш „ — измеренное значение массы образца.в намагничивающем поле;

m — масса образца; 25

g — - ускорение свободного падения, О значении силы, действующей на образец, судят по показаниям индикатрра 5 весов l.

После измерения силы (приблизительно через 10-20 с в зависимости от заданного в блоке 19 управления времени) управляющий сигнал с блока управления поступает на весы 1 и при- 3 вод 9 для перемещения электромагнита 8. Весы 1 переводятся в положение

"Изолирующий механизм включен" (вык- лючаются), а привод 9 включается.

Начинается второй цикл измерения. 40

Работа предлагаемого устройства на втором и последующих циклах измерения аналогична работе на первом цикле. В результате длина второго и последующих шагов перемещения элект- 45 ромагнита 8 автоматически получается такой, что площади S S и так (dB далее под кривой В . — — = (х) с1х на втором и последующих шагах равны

50 площади Б на первом. шаге (фиг. 3), т.е. площади, равной в относительных единицах значению напряжения, з аданному на выходе регулируемого источника 18 напряжения. Площадь под криДВ вой  — — -- = q(x) на последнем

Д Г, шаге может не достигнуть заданного значения, поэтому длина последнего шага перемещения электромагнита 8 ограчивается с помощью концевого выключателя привода 9. В конце каждого шага электромагнит 8 останавливается .и с помощью весов 1 измеряется значение силы F при этом площади S,, S под участками ломаной, построенной по результатам измерения силы Г, также оказываются равными,Это ! вытекает из того, что F

1 ЙБ dB

Х Ч — — - или Г = КВ «1

Р с1х о где k = - — — ХЧ - постоянная вели о чина для каждого образца, т.е. кривая f = f(x) может быть получена

dB умножением кривой  — — - = q(x)

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

I равно k.

Площади под отрезками кривой

dB

В .- - = (х) вычисляются в

dx предлагаемом устройстве с относительно большой погрешностью, определяемой погрешностью измерения градиента поля, которая у наиболее точных современных градиентометров на базе в несколько миллиметров имеет значение порядка 5-10 . Однако для целей управления процессом измерения такая точность вполне приемлема. Площадь

dB под кривой В - — — - = y(x) исполь-:

dx зуемая для определения магнитной восприимчивости исследуемого образцаа, вычисляется методом трапеций. по результатам измерения с помощью весов 1 силы F в конце каждого шага перемещения.

На фиг.2 и 3 иллюстрируются про-, цессы измерения площади под кривой

F = f(x) 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 иллю страции принято равным шести). На фиг. 2 изображена кривая зависимости силы F действующей на исследуемый образец от перемещения электро1376050 магнита F = f(x), и ломаная

F,F ... F, построенная по результатам измерения силы в конце каждого шага перемещения. Длины шагов перемещений равны. На фиг. 3 изображена кривая зависимости произведения В х

ЙБ dB х — -- от перемещения х В ° — — =

clx в,1

q (х), кривая F = f(x) и ломаная !О

F F ...F<, построенная по результатам измерения силы в конце каждого шага перемещения, при выборе длины шагов такой, что площади нод отрезками кривой F = f(x) равны на каждом 15 шаге.

При равной длине каждого шага перемещения площади, заключенные под отрезками ломаной, существенно отличаются друг от друга. Площади под 20 отрезками, ограниченными точками со значениями силы, близкими к максимальному (S и S фиг.2), значительно больше площадей на первом и заключительных шагах (S,, S, S ). 25

В то же время отличие ппощадей йод отрезками ломаной от площадей под соответствующими отрезками кривой наиболее велико при больших значениях . силы. Таким образом, погрешность оп- Зр ределения площади (отличие ппощади под кривой F = f(x) ) от площади под ломаной) не одинакова на каждом шаге. Она имеет наибольшее значение при значениях силы, близких к макси35 мапьному, т.е. на тех шагах, на которых площади под отрезками ломаной наиболее велики и составляют значительную долю всей (суммарной) площади S. Если же выбрать длину шагов 4р не такой, что ппощади под отрезками кривой на каждом шаге равны площади под отрезком кривой на первом шаге (фиг.3) то погрешность определения площади d 3 существенно 45. меньше. При такой организации процесса измерения значительно уменьшается погрешность определения площади на шагах со значениями силы близкимн к максимальному и значительно умень- 5О шается доля этих участков во всей площади. Следовательно, при одном и том же числе измерений силы (числе шагов) погрешность определения ппощади и магнитной восприимчивости исследуемого образца с помощью предлагаемого устройства существенно (в

3-5 раз ) меньше, чем с помощью из вестного. В случае сохранения точности измерения, которой обладает известноее устройство, предлагаемое устройство позволит sa счет сокращения числа измерений (числа шагов) в

1,5-2 раза сократить время измере— ний.

Формула и э обретения

Устройство для измерения магнитной восприимчивости образцов малых размеров, содержащее весы, электромагнит, первичный преобразователь тесламетра, тесламетр, привод перемещения электромагнита с измерителем перемещения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первичный преобразователь градиентометра, градиентометр, два умножителя, блок запоминания,сумматор, компаратор напряжений„ регулиpyemia источник напряжения и блок управления, причем первичные преобразователи тесламетра и градиентометра установлены в электромагните около позиции размещения контролируемого образца на расстоянии, не превышающем максимального размера контролируемого образца, перпендикулярно вектору намагничивающего ноля, выходы тесламетра 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 умножителя соединен с первым входом компаратора напряжения, а регулируемый источник напряжения соединен с вторым входом компаратора напряжения, выход которого подключен к блоку управления, первый выход которого соединен с входом блокировки весов, с входом привода перемещения электромагнита, а второй — с входом измерителя перемещения и вторым входом блока запоминания.

1376050 д All Xf

Фиг. 5

Составитель Е.Ано сова

Техред М. Ходанич Корректор H. Король

Редактор H.Áoáêoâà

Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по далам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 784/46

Производственно- полиграфическое предприятие, r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4