Способ измерения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов стержневых образцов

 

Использование: изобретение предназначено для измерения магнитной проницаемости материала ферромагнитных цилиндрических образцов производной длины. Сущность изобретения: для обеспечения измерения магнитной проницаемости материала в разомкнутой магнитной цепи, создающей неоднородное постоянное магнитное поле, стержень намагничивают постоянным магнитным полем полного соленоида конечной длины и измеряют первое значение действующей проницаемости. Затем стержень намагничивают магнитным полем части соленоида и измеряют второе значение действующей проницаемости, вычисляют значение коэффициента крутизны изменения действующей проницаемости по формуле, приведенной в описании. 6 ил.

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения магнитной проницаемости материала ферромагнитных цилиндрических образцов произвольной длины при их намагничивании в разомкнутой магнитной цепи - соленоиде конечной длины.

Известны способы измерения магнитной проницаемости материала на образцах замкнутой формы в виде тороидов (колец) и на образцах стержневой формы при их намагничивании в замкнутой магнитной цепи - пермеаметре. Магнитная проницаемость материала образцов цилиндрической формы может быть определена также по известным коэффициенту размагничивания и магнитной проницаемости тела (кажущейся) [1]. Все известные способы измерения магнитной проницаемости материала основаны на намагничивании образцов однородным магнитным полем.

Способы измерения магнитной проницаемости материала на образцах в неоднородных магнитных полях к настоящему времени не известны. Потребность же измерений в неоднородных магнитных полях нисколько не меньше, чем в однородных, так как большое количество ферромагнитных полуфабрикатов и деталей выпускается в виде цилиндрических стержней. При этом во многих случаях не представляется возможным изготовить образцы в виде колец из производимых полуфабрикатов и деталей, а измерения в пермеаметрах требуют нежелательной по экономическим соображениям вырезки образцов. Существенным ограничением использования пермеаметров является то, что в связи с достаточно большим остаточным магнитным полем в их полюсах измерения в слабых полях на начальном участке кривой намагничивания производить не удается.

Целью изобретения является обеспечение измерения магнитной проницаемости материала ферромагнитных цилиндрических стержней в разомкнутых магнитных цепях, создающих неоднородное постоянное магнитное поле.

Цель достигается тем, что в способе измерения магнитной проницаемости ферромагнитных стержней, основанном на их намагничивании постоянным магнитным полем соленоида и измерении действующей магнитной проницаемости, стержень намагничивают постоянным магнитным полем полного соленоида (катушки) конечной длины и измеряют первое значение действующей проницаемости, затем стержень намагничивают магнитным полем части соленоида и измеряют второе значение действующей проницаемости и вычисляют значение коэффициента крутизны изменения действующей проницаемости по формуле c = (1) а затем определяют магнитную проницаемость материала по зависимости μ = μ_ie - (2) где μ и μ_ie - относительные магнитные проницаемости материала и действующая; с - коэффициент изменения действующей проницаемости; λ_к1= l_к1 / d_к и λ_к2=l_к2 / d_к - относительные длины измерительной катушки полной длины и ее части; l_к1 и l_к2 - длины измерительных катушек полной и ее части, м; d_к - внутренний диаметр измерительной катушки, м; μ_ie^' и μ_ie^'' - относительные действующие магнитные проницаемости, измеренные с помощью измерительной катушки полной длины и ее части; η= S_c / S_к= d_c² / d_к² - коэффициент заполнения; S_c и S_к - сечение стержня и внутреннее сечение измерительной катушки, м²; d_с - диаметр стержня, м.

Автору не известны технические решения, содержащие признаки отличительной части формулы изобретения. На этом основании автор считает указанные отличия существенными.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой измерительной установки; на фиг.2 - приведена известная блок-схема баллистической установки; на фиг.3 - зависимости действующей магнитной проницаемости стержней из сталей У7А и У8А от относительной длины катушки; на фиг.4 показаны зависимости действующей магнитной проницаемости стержня из стали ШХ15 от относительной длины катушки для разных коэффициентов заполнения; на фиг.5 приведены значения магнитной проницаемости материала стержней из сталей У7А и У8А, определенные при разных относительных длинах катушек; на фиг.6 приведено значение магнитной проницаемости материала стержня из стали ШХ15, определенное при разных коэффициентах заполнения и относительных длинах катушек.

Для проведения измерений предлагаемым способом схема баллистической установки (фиг. 2) изменена. Изменение (фиг.1) состоит в том, что намагничивающая W₁ и измерительная W₂ катушки выполнены в виде двух секций (W₁₁ и W₂₁, W₁₂ и W₂₂), т.е. имеются отводы от намагничивающей и измерительной катушек на одинаковых расстояниях от их торцов. Дополнительно введен переключатель П3 для включения намагничивающей катушки полностью или ее части. Ключ К1 заменен на переключатель с нейтралью П1. Измеряя с помощью полностью включенной катушки действующую проницаемость μ_ie^'' при λ_к1, а затем с помощью части катушки - μ_ie^'' при λ_к2 по формуле (1) определяем коэффициент крутизны изменения действующей проницаемости и далее, воспользовавшись любым из значений действующей проницаемости при соответствующей ей относительной длине катушки, по формуле (2) определяем магнитную проницаемость материала.

С целью уменьшения погрешности измерения при использовании коротких катушек ( λ_к = 4-6) их части должны составлять не менее 50% от полной длины катушки. При использовании катушек с большими относительными длинами их части могут составлять значительно меньшую долю от полной длины.

Правомерность предлагаемого способа измерения магнитной проницаемости материала была подтверждена большим объемом экспериментальных исследований на баллистической установке (фиг.2). Установка состоит из следующих основных элементов и узлов: R1, R2, R3 - реостаты для регулировки тока в намагничивающей и размагничивающей цепях, а также цепи определения баллистической постоянной гальванометра (БГ); К1, К2, К3, К4 - ключи для коммутации указанных цепей; А1, А2, А3 - амперметры в этих цепях; П - переключатель направления намагничивающего тока; М - образцовая катушка взаимной индуктивности.

В первой серии экспериментов использовали шлифованные прутки из ферромагнитных сталей У7А (l_с = 1500 мм, d_c = 4,5 мм) и У8А (l_c = 1500 мм, d_с = 5 мм).

Для проведения измерений на цилиндрическом эбонитовом каркасе (l_к = 965 мм, d_к = 12 мм) были намотаны по всей длине сначала измерительная, а затем поверх ее намагничивающая катушка. Катушки намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 0,47 мм. У измерительной и намагничивающей катушек было сделано 8 выводов в одних и тех же местах, т.е. было изготовлено 9 секций катушек. При последовательном соединении выводов получены следующие длины катушек: 45, 125, 245, 365, 485, 605, 845 и 965 мм. Количество витков каждой катушки равно: 85, 235, 468, 701, 934, 1167, 1400, 1633 и 1866. Указанным длинам катушек соответствуют относительные длины: λ_к = 3,75; 10,42; 20,42; 30,42; 40,42; 50,42; 60,42; 70,42; 80,42. Коэффициенты заполнения имели следующие значения: η = 0,141 для стали У7А и η = 0,174 для стали УЗА.

Вторая серия экспериментов была проведена на калиброванном стержне из стали ШХ15 диаметром 10,22 мм и длиной 1520 мм.

Для проведения экспериментов измерительные и намагничивающие катушки были намотаны на 4 эбонитовых каркаса одинаковой длины - 740 мм, но разных диаметров: 14, 17,9, 22 и 26,1 мм. Катушки намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм по 1902 витка на каждый каркас. Намагничивающие катушки намотаны поверх измерительных. От начала намагничивающих и измерительных катушек сделано по 7 отводов на расстояниях 47,146, 245, 344, 443, 542, 641 и 740 мм, т.е. сделано по 8 секций катушек. Количество витков секций при последовательном соединении равно: 117, 372, 627, 882, 1137, 1392, 1647 и 1902.

Относительные длины катушек равны: 1 - при внутреннем диаметре измерительной катушки 14 мм: λ_к = 3,36; 10,43; 17,50; 24,57; 31,64; 38,70; 45,79 и 52,86; 2 - при внутреннем диаметре измерительной катушки 17,9 мм: λ_к = 2,63; 8,16; 13,69; 19,22; 24,75; 30,28; 35,81 и 41,34; 3 - при внутреннем диаметре измерительной катушки 22 мм: λ_к = 2,14; 6,64; 11,14; 15,64; 20,14; 24,64; 29,14 и 33,64; 4 - при внутреннем диаметре измерительной катушки 26,1 мм: λ_к = 1,80; 5,59; 9,39; 13,18; 16,97; 20,77; 24,56 и 28,35.

Коэффициенты заполнения имеют следующие значения: 1 - η = 0,530; 2 - η = 0,325; 3 - η = 0,215; 4 - η = 0,153.

Измерения проводили в области слабых магнитных полей. Намагничивающие и измерительные катушки каждой относительной длины подключали к цепям намагничивания и гальванометра. Стержень помещали в катушки, причем катушки располагали в центральных областях стержней. Включая ток, измеряли количество делений гальванометра с помещенным в катушку стержнем и без стержня. По формуле μ_ie= (3) определяли действующую магнитную проницаемость для каждой катушки заданной относительной длины и используемых стержней. В формуле (3): α₁ и α_o - деления гальванометра при измерении ЭДС измерительной катушки с образцом и без образца.

На фиг.3 приведены зависимости действующей магнитной проницаемости μ_ie= f (λ_к) для стержней У7А(1) и У8А(2). На фиг.4 приведены зависимости μ_ie=f (λ_к) стержней из стали ШХ15 для разных коэффициентов заполнения: 1-0,530, 2-0,325, 3-0,215, 4-0,153. Точками на чертежах показаны измеренные значения, сплошными линиями - расчетные значения, определенные по формуле μ_ie= (4) где μ_e - действующая магнитная проницаемость стержня в однородном магнитном поле длинной катушки. В однородном магнитном поле минимальное значение действующей проницаемости при бесконечном уменьшении длины образца равно единице. Исходя же из формулы (4), получаем, что в неоднородном магнитном поле катушки при λ_к→ 0 μ_ie→ 0. Этот результат закономерен, так как при бесконечно малой относительной длине катушки ее сопротивление неограниченно возрастает, а ток в ней стремится к нулю. Следовательно, магнитное поле не создается. В силу этого ферромагнитный стержень не намагничивается и в измерительной катушке не наводится ЭДС.

Коэффициент с, вычисленный по формуле (1), равен соответственно: с = 0,265 для стали У7А, с = 0,235 для стали У8А (фиг.3). Для зависимостей μ_ie= f (λ_к) стали ШХ15 (фиг.4) имеем следующие значения: 1 - с = 0,081 ( η = 0,530); 2 - с = 0,119 ( η = 0,325); 3 - с = 0,148 ( η = 0,215); 4 - с = 0,160 (η = 0,153).

Вычисление магнитной проницаемости материала для исследуемых образцов сталей проведено по формуле (2) при различных относительных длинах катушек. На фиг. 5 приведены значения μ для образцов сталей У7А и У8А. Прямые линии на графике соответствуют расчетам по теоретическим значениям действующей проницаемости и равны: μ = 126 для стали У7А и μ = 106,9 для стали У8А. Экспериментальные точки локализуются около этих прямых. Относительная среднеквадратическая погрешность измерения не превышает 2,5%.

На фиг.6 приведены значения μ для стержня из стали ШХ15, вычисленные по формуле (2) для различных μ_ie, λ_к и η. Здесь также экспериментальные точки локализуются около прямой (μ = 74,3), полученной из пересчета аппроксимирующих кривых μ_ie= f (λ_к) при различных коэффициентах заполнения (фиг.4). Относительная среднеквадратическая погрешность измерения для данной серии экспериментов не превышает 4,2%.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что предлагаемый способ позволяет достоверно определять магнитную проницаемость материала в различных условиях: при произвольных относительных длинах катушек и коэффициентах заполнения.

Экспериментально установлено, что для проведения измерений при использовании коротких катушек (λ_к < 10) необходимо, чтобы длина стержня вдвое превышала длину катушки. При больших λ_к выступающие концы стержней могут быть уменьшены. Так при λ_к > 20 выступающие концы стержней должны составлять не менее 20% от длин катушек, а при λ_к > 50 - соответственно не менее 10%.

Известна формула, связывающая действующую магнитную проницаемость μ_w с магнитной проницаемостью материала μ_r для случая, когда длины сердечника и катушки сравнимы (см. Х.Мейнке и Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник. М. , ГЭИ, 1960, с. 34, формула (2-127)). Выразим эту формулу относительно магнитной проницаемости материала μ_r= = (5) Подставляя в (5) значения μ_w (μ_ie) для стадии У7А, получаем μ_r = 54,73 при λ_к = 3,75; μ_r = 27,46 при λ_к = 10,42; μ_r = 22,12 при λ_к= 20,42 и т.д. Аналогичный ход зависимости получен и для других стержней. При увеличении λ_к в (5) магнитная проницаемость материала уменьшается и в пределе при λ_к → ∞ стремится к значению действующей проницаемости. Следовательно, эта формула не может быть использована для расчета магнитной проницаемости материала.

Предлагаемый способ может найти применение для измерения магнитной проницаемости материала ферромагнитных цилиндрических образцов с помощью катушек разной относительной длины. Его достоинством является то, что магнитная проницаемость материала - характеристика, измеряемая в замкнутых магнитных цепях, может быть измерена с помощью катушек разной относительной длины, создающих магнитное поле разной степени однородности. Это открывает возможность при контроле качества пруткового материала оценивать контролируемые свойства не по действующей проницаемости, принимающей различные значения в зависимости от магнитной проницаемости материала и геометрии намагничивающих катушек, а по вполне определенно характеристике - магнитной проницаемости материала.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ СТЕРЖНЕВЫХ ОБРАЗЦОВ, включающий воздействие на образец постоянным магнитным полем, измерение кажущейся магнитной проницаемости, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения возможности измерения стержневых образцов произвольной длины, на образец воздействют постоянным неоднородным магнитным полем соленоида, затем на образец воздействуют постоянным неоднородным магнитным полем части соленоида, измеряют соответствующие значения кажущейся магнитной проницаемости, а магнитную проницаемость материала определяют из следующих соотношений: μ = μ_ie -
где c = ,
μ , μ_ie - магнитная проницаемость материала и кажущаяся магнитная проницаемость материала;
C - крутизна изменения кажущейся магнитной проницаемости;
η - коэффициент заполнения;
λ_к1 , λ_к2 - относительные длины потока соленоида и его части;
- кажущиеся магнитные проницаемости образцов, измеренные посредством соленоида и его части.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6