Устройство для контроля магнитных свойств изделий

 

Изобретение касается магнитных измерений . Устройство содержит два магнитопровода 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 33/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4795996/21 (22).26.02;90 (46) 23.07.92, Бюл. N. 27 (71) Производственное объединение "Ижевский мотоза вод" (72) С.К.Водеников (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 1691475, кл. G 01 R ЗЗ/12, 12.01.89, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ MAI=

НИТНЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ

„,5U,, 1749858 А1 (57) Изобретение касается магнитных измерений. Устройство содержит два магнитопровода 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. 6-15-1 8-19-18, 15-1719-20, 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, 1749858

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 магнитом" гкого материала с намагничивающей обмоткой, подключенной через образцовый резистор к источнику переменного напряжения.

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

Наиболее близким к предлагаемому па технической сущности является устройство для контроля магнитных свойств изделий, содержащее первый магнитопровод с намагничивающей и первой измерительной обмотками и второй магнитопровад 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 токосьемнаго резистора соединен с первым выводам намагничива ощей 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 токосьемного резистора и входу индикатора соответственно, причем вход и выход второго канала делителя соединены с выходом сумматора и первым входам вычитающего блока выход и второй вход которого соединены с управляющий 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 ат параметров замыкающих магнитопроводов, вследствие того, что снижение погрешности Лот качества контакта (немагнитных зазоров), дости5 гаемое увеличением магнитного сопротивления замыкающих магнитопроводов (кривая 1, фиг. 3), сопровождается ростом погрешности, обусловленной падением

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

2). В результате суммарная погрешность

15 (фиг. 3, кривая 3) не может быть ниже определенной величины, которая по расчетам мажет достигать 6-8%

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

Поставленная цель достигается тем, что

20 устройство снабжено немагнитными про25 кладками, размещенными на полюсах магнитапроводов, ключом,.калибровочной обмоткой; расположенной на втором магнитопроводе, блоком коррекции, вторым токосьемным резистором, вторым вычитающим блоком, индикатором нуля и балансным ре30 зистором, подвижный контакт которого подключен к второму выходу источника переменного тока, при этом крайние выводы баланснога резистора соединены соот35 ветственно с, вторым выводом намагничивающей обмотки и первым выводом калибровочной обмотки, второй вывод которой соединен с первым выводом ключа, второй вывод которьго соединен с первым

40 выводам второго токосьемного резистора. второй вывод которого соединен с общей шиной, вход индикатора куля подключен к выходу второго вычитающего блока, входы которого соединены соответственно с вто45 рым выводом первого токосьемного резистора и выходом первого канала блока . коррекции, вход которого соединен с первым выводом второго токосьемного разнабора, причем второй вывод первой

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

55 патока, 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, по1749858

35

45

55 ясняющее работу устройства; на фйг. 3зависимость погрешности от магнитного сопротивления замыкающих цепей.

Устройство содержит первый магнитопровод 1 с намагничивающей 2 и первой измерительной 3 обмотками и второй магнитопровод 4 с калибровочной 5 и второй измерительной 6 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 токосьемные резисторы, ключ 13, измеритель 14 потока, первый 15 и второй 16 выпрямители, сумматор

17, первый вычитающий блок 18, двухканальный 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 калибровочную 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 измерительный обмотки 6 подключен к первым входам измерителя 14 потока и первого выпрямителя 15, выход которого соединен с вторыми входауи сумматора 17 и вычитающего блока 18. а конец первой измерительной 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 первого 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 токосьемного резистора 12, Устройство работает сведующим образом.

При протекании переменного тока с амплитудой I по намагничивающей обмотке 2. в ней создается магнитодвижущая сила F =

=I w (w — число витков намагничивающей обмотки), создающая в первой замыкающей цепи, образованной магнитопроводом 1 и немагнитными прокладками 8. магнитный поток, разветвляющийся на поток Ф в контролируемом образце 7 и поток во второй замыкающей цепи. образованной вторым замыкающим магнитопроводом 4 и немагнитными прокладками 8. контактирующими с ним. Для потока Ф1 (фиг. 2) вблизи полюсов первой замыкающей цепи, потока Ф и потока Ф вблизи l1ofllocoB второй 33MblKающей цепи справедливо соотношение

Ф1 =ф)+Ф (1) а для МДС F b, приложенной к точкам а и I контролируемого образца (фиг. 2) справедливо

Fà.b = F (1)Я1 ьг1, (2)

Ф где R< — суммарное сопротивление первой замыкающей цепи, равное сумме R>< — магнитного сопротивления магнитопровода 1 и

Я„-магнитного сопротивления немагнитных прокладок 8, а Л Fl -- 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

Р1 магнитопровода 1, который до ответвления в пространство протекает по первой замыкающей цепи и создает указанное падение

МДС A F ) (фиг. 2), Величина Л Р обеспечивается пренЯрежимо 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 Ф, (фиг. 2); протекающая до ответвления по йемагнитным прокладкам, пренебрежимо мала по сравнению с Ф, и соответственно мало падение

МДС от потока рассеяния на них, основная же часть потока рассеяния до ответвления протекает по магнитопроводу 1, где сооТ ветствующее падение МДС мало из-за малости магнитного сопротивления. Это позволяет пренебречь добавкой Ь Р1 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 МДС F>t, сводится к пренебрежимо малой величине.

Для второй замыкающей цепи, образованной вторым магнитопроводом 4 и двумя полюсными наконечниками 8, контактирую1749858 щими с его полюсами, справедливо соотношение

Fab = Ф Rz - Л Fz, (3) где Rz — суммарное магнитное сопротивление второй замы»а«ощей цепи, а AFz — добавка. обусловленная падением МДС во второй замыкающей цепи от протекания по ней потока рассеяния Фр,, до его ответвления, которая также является пренебрежимо малой величиной за счет сосредоточения основной доли магнитйого сопротивления в тонком слое немагнитных прокладок 8. Рассуждения о справедливости этого утверждения айалогичны приведенным выше для первой замыкающей цепи.

В силу того, что магнитные сопротивления Rl u Rz первой и второй замыкающих цепей сосредоточены в тонкйх слоях обеспечить их одинаковыми затруднительно, так как для этого требуется обеспечить с большой точностью. одинаковую толщину немагнитных прокладок, толщину слоя соединения немагнитных прокладок с магнитопроводами 1 и 4 и, кроме того; немагйитные прокладки 8 находятся в зоне контакта с образцом 7 и подвергнуты износу. поэтому в общем случае они (R1 и Rz) различаются, а значит R1 = К ° Вг, где Кзаданный коэффициейт, близкий к 1 и могущий изменяться по мере износа немагнитных прокладок 8. С учетом этого из соотношений (2) и (3) с учетом малости Л Р1 и ЛFz следует

Ф

" (%+к.Ы Измерительные обмотки 3, 6 располагаются вблизи полюсов магйитойроводов 1 и

4 и потому ЭДС, наводимая в них, пропорциональна с ответственно потокам Ф„и

Ф . В силу встречного включения обмоток 3 и 6 на измеритель 14 потока поступает разностная ЭДС, пропорциональная потоку

Ф в контролируемом образце 7, на выходе первого выпрямителя 15 формируется постоянный уровень Uz = К1 Ф (где К1 изве-. стный постоянный коэффициент); а на выходе второго выпрямителя 16 формируется постоянный уровень напряжения U1 = К»» К1 Ф«(где К» — коэффициент передачи второго канала блока 21 коррекции). Одинаковый коэффициент связи К1 для напряжений

01и Uzс потоками Ф «и Ф обеспечивается за счет одинакового числа витков обмоток 3, 6 и одинакового коэффициента передачи выпрямителей 15 и 16. На выходе сумматора 17 формируется постоянный ypoeel«b Ug= U1+ Uz= К1(Ф + К» Ф «), который через второй канал делителя 19 поступает на первый вход вычитающего блока 18, на второй вход которого поступает уровень Uz= K1 Ф . В силу большого коэффициента усиления первого вычитающего блока 18 его выходной сигнал управляет коэффициентом

5 передачи Кд делителя (одинаковым по обоим каналам) таким образом, чтобы сравнялись сигналы на входах первого вычитающего блока 18, т.е. чтобы выполнялось условие

10 Кд К1(Ф + К» Ф < ) = К1 Фq, азначиткоэффициент передачи делителя Кд автоматически устанавливается соответствующим соотношению

Ф2, 15 д %+ К« :%

На второй вход делителя 19 поступает сигнал с токосъемного резистора 11, пропорциональный МДС F и на вход индикатора 20 — сигнал, амплитуда которого

20 пропорциональна величине

Кд F =F%+K-. (6) — Ф2

Из сравнения выражений (6) и (4) видно, что для того, чтобы индикатор 20 контроли25 рбвал величину, пропорциональную падению МДС F>«l, являющуюся объектом контроля, необходимо, чтобы коэффициент передачи К» блока 21 коррекции был равен коэффициенту К, связь«вающему сопротив30 ления R1 и Rz соответственно первой и второй замыкающих цепей.

Установка коэффьй1иента передачи К». блока 21 коррекции производится в процессе калибровки устройства. осуществляемой

35 после его изготовления и периодически с учетом возможного износа пolllocKblx наконечников, а также в процессе метрологической аттестации устройства.

Осуществляется она следующим образом.

40 Замыкается ключ 13 и регулированием положения подвижного контакта балансного резистора 10 добиваются равенства нулю потока Ф, (регулируемого по показаниям измерителя 14 потока), т.е, обеспечивают

45 эквипотенциональность точек а и Ь(фиг. 1,2), которая означает, что для магнитодвижу щих : сил F1 в намагничивающей обмотке и

Fz в калибровочной обмотке справедливы соотношения F1 = Ф, R1 и Fz = Ф йг, а в

50 силу того, что Ф1 =4 (4ь=о)F1/Fz -.

R1/Rz. Сигнал с первого токосъемного резиСтсра 11. аМПЛИтуда КОтсрОГО Од« ПрОПОрцИональна F1(UA1 = K2F1) поступает на вход второго вычитающего блока 22, на второй

55 вход которого через первый канал блока 21 коррекции, имеющего коэффициент передачи равный К» (равный коэффициенту передачи второго канала). поступает сигнал с второго токосъемного резистора 12, ампли1749 158 туда которого UA2 пропорциональна F2(UA2

= К2 К» F2). При этом на выходе вычитающего блока 22 реализуется разностный сигнал.

Изменяют вручную коэффициент пере дачи К блока 21 коррекции, добиваясь нулевых показаний индикатора 23 нуля, что соответствует условию К» К2 F2 = К2 F1 или

К» = F1/F2 и с учетом того, что npq эквипотенциальности точек а и Ь F1/F2 = R1/R2 коэффициент передачи К» блока 21 коррекции устанавливается обеспечивающим условие K» = R1/R2, а значит(см. соотношение (4)), при установленном таким образом значения К» показания индикатора 20 пропорциональны падению МДС на . контролируемом образце 7 в процессе по.следующего контроля.

Таким образом, устройство ставит s 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 Й1 и R2 замыкающих цепей позволяет (как и в известном устройстве) выбрать на величину достаточно большой, чтобы отстроиться от влияния немагчитных 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. h F1 и Л 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 (ЛЕ1 и ЬЕ2) пропорциональны магнитному сопротивлению участка, по которому протекает поток рассеяния и зависимость погрешности, обусловленной пренебрежением добавками Ь F«1 Ь F2 имеет вид, подобный кривой 2 на фиг. 3, В результате суммарная погрешность(кривая 3, 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

55 слой, в котором замкнется поток рассеяния

Ф (фиг. 2), составит 1/100 от объема, в

Р1 котором замыкается весь поток Ф,, что означает, что поток рассеяния, прошедший через немагнитные прокладки 8, составляет не более 1/100 от: суммарного потока рассеяния, Добавка Ь F1 вэтом случае складывается из двух частей, а именно

ФР1 0.1R1 „ФР1/100 .0,9R1 - ФР1 К1

2 г 2 т.е. в заявляемом устройстве указанная погрешность как минимум на порядок меньше. рассеяния потока (сделать ход кривой 2 более пологим) и соответственно снизить суммарную погрешность.

Для сравнительной оценки погрешно5 сти прототипа и предлагаемого устройства достаточно провести следующие несложные рассуждения. Предположим, что магнитные сопротивления R1 (R2) замыкающих цепей у устройства прототипа и у предлагэ10 емого устройства одинаковы, как одинаковы их гесметрические размеры и приложенная к намагничивающей обмотке МДС F.

При таких условиях в ветвях магнитных цепей реализуются примерно одинаковые

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

20 Предположим, что потоки рассеяния в каждом тонком слое, параллельном образцу 7, одинаковы, это означает, что поток в замыкающей цепи линейно изменяется от величины Ф2 под намагничивающей обмоткой

25 (расположенной на равном удалении от полюсов) до величины Ф вблизи полюсов, причем суммарный поток рассеяния в nepf вой замыкающей цепи Фр1 =Ф1 — Ф1 . В этом случае нетрудно показать, что допол30 нительное падение МДС Л Р1, обусловленное протеканием потока Ф,по замыкающей цепи до ответвления, будет определяться выражением:

ЛР1 =Ф11 Р1/2, 35 что и будет погрешностью прототипа, по- скольку в нем Л F1 не учитывалось. В предлагаемом устройстве то же сопротивление замыкающей цепи создается магнитопроводом 1 с магнитным сопротивлением R> =

40 0,1R1 и двумя немагнитными прокладками 8 с суммарным сопротивлением R„= 0,9R1, Если изготовить, например, магнитопровод

1 из феррита с проницаемостью 1000 Гс/Э, то нетрудно показать. что для обеспечения

45 условия R

1/100 длины магнитопровода 1, а значит

1749858

12 чем в устройстве-прототипе. Очевидно, что выбрав другое соотношение RM/R» можно сделать погрешность еще более малой.

Таким образом, предлагаемое устройство, имея одинаковое быстродействие с про- 5 тотипом, позволяет как минимум на порядок снизить погрешность, связанную с рассеянием магнитного потока и соответственно суммарную погрешность. Кром того, возможность калибровки устройств и кор- 10 рекции возможных различий в магнитных сопротивлениях замыкающих цепей также способствует снижению погрешности и облегчает метрологическое обеспечение при эксплуатациИ устройства, 15

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 обьек- 20 тивных, метрологически обеспеченных средств контроля, вследствие чего имеют место большие экономические потери при изготовлении изделий из этих материалов. (Нормируемые в настоящее время статиче- 25 ские характеристики не гарантируют стабильной работы в переменных магнитных . полях).

Формула изобретения

Устройство для контроля магнитных 30 свойств изделий, содержащее первый магнитопровод с намагничивающей и первой измерительной обмотками и второй магни- топровод с второй измерительной обмоткой, а также источник переменного тока, 35 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 намагничиваю- 40 щей обмотки, измеритель потока, первый выпрямитель, входы которого соединены с выводами второй измерительной обмотки, первый из которых подключен к первому выводу первой измерительной обмотки, 45 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, о тл и ч а ю ще ес я 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 вь|вод 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.

1749858

7,8Z

Составитель С. Водеников

Редактор В.Бугренкова Техред М,Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 2595 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина. 101