Устройство для измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика

Заявлено устройство для измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика. Ферромагнетик выполнен в виде кольца, краем помещенного в магнитный зазор электромагнита, и вращается от синхронного электродвигателя. Устройство содержит магнитный датчик с обмоткой, образующей с параллельно подключенным к ней подстраиваемым конденсатором колебательный контур высокочастотного генератора. Выход генератора подключен к первому входу смесителя, ко второму входу смесителя подсоединен выход опорного генератора перестраиваемой частоты. Технический результат - повышение точности автоматизированного процесса измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика внутри магнитного зазора по его длине и оценка однородности его магнитных свойств. 3 ил.

 

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано при измерении динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнитных колец (или дисков), помещенных их кромкой в неподвижное локализованное в пространстве регулируемое постоянное магнитное поле и вращающихся относительно него с регулируемой постоянной угловой скоростью.

Как известно, магнитная восприимчивость χ ферромагнетиков характеризуется начальной χ_НАЧ магнитной восприимчивостью в отсутствие внешнего магнитного поля H и максимальной χ_MAX магнитной восприимчивостью в магнитном поле Н=Н*. Если магнитное поле увеличивать при H>H*, то магнитная восприимчивость уменьшается, и в насыщающем магнитном поле H_НАС>>H* возникает магнитное насыщение ферромагнетика, при котором произведение χ(H_НАС) Н_НАС=const, и поэтому магнитная восприимчивость ферромагнетика уменьшается с ростом насыщающего магнитного поля. Такая зависимость магнитной восприимчивости χ от величины напряженности внешнего магнитного поля Н определяется известной кривой Столетова [1].

Также известно свойство ферромагнитных материалов - их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔM в зависимости от времени t описывается формулой

где M₀ и M_∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности H магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации. Значение τ зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10^-9 секунды до нескольких десятков часов в зависимости от технологии изготовления ферроматериалов и их структуры [1-2].

Известны способы и устройства измерения магнитной вязкости ферромагнетиков |1, 3-5], в том числе и с использованием помещенных в локализованное постоянное магнитное поле ферромагнитных колец.

При реализации ферромагнитовязких источников механической энергии на основе преобразования тепловой энергии внешней среды, например водных бассейнов, предложенных автором [6], большое практическое значение приобретает исследование распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика, протягиваемого в магнитном зазоре длиной L с напряженностью магнитного поля Н, в том числе, когда это поле является насыщающим, с некоторой скоростью V=Ω R, где Ω - угловая скорость вращения ферромагнитного кольца радиуса R, причем имеет место выполнение неравенства 2 πR>>L, обеспечивающего восстановление магнитной восприимчивости ферромагнетика до уровня начальной магнитной восприимчивости χ_НАЧ в течение промежутка времени Т_ВОССТ=(2π-L/R)/Ω, когда эта часть намагниченного в магнитном зазоре ферромагнетика кольца в течение времени Δt=L/ΩR находится вне действия магнитного поля. Таким образом, восстановление происходит при условии Δt/T_ВОССТ=L/(2π R-L)<<1. Указанное преобразование энергии происходит в механизме магнетокалорической активности ферромагнетика, проявляемом в фазовом переходе второго рода в сильно насыщающем магнитном поле, когда уменьшается удельная теплоемкость ферромагнитною вещества [7-12]. Показано, что при пространственном рассредоточении центра намагниченности ферромагнетика (смещенном к началу магнитного зазора по ходу вращения кольца), находящегося в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем, и центра магнитного притяжения в этом магнитном зазоре (для однородного магнитного поля этот центр находится в середине магнитного зазора) возникает постоянно действующая сила F, приложенная к кольцу, вектор которой коллинеарен вектору скорости V, и эта сила поддерживает вращательное движение ферромагнитного кольца, если она создает вращательный момент M_ВР=FR, больший или равный сумме моментов трения и присоединенной нагрузки, а сопровождающее такой механизм охлаждение ферромагнитного кольца компенсируется притоком тепловой энергии из окружающей внешней среды за счет явления теплопередачи. Такие источники являются альтернативными и могут найти широкое применение при создании необходимых ферромагнитных материалов с высокой магнетокалорической активностью, подходящей магнитной вязкостью, большой магнитной восприимчивостью χ_MAX в магнитном поле Н=Н* при соответствующем подборе оптимальной угловой скорости вращения кольца Ω*≈L/еRτ, где е=2.71 - основание натурального логарифма, при которой достигается максимум действующей силы F, как показывает анализ динамики взаимодействия ферромагнетика с насыщающим магнитным полем.

Указанное означает, что важным представляется исследование динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика, находящегося внутри магнитного зазора и движущегося в нем со скоростью V=ΩR.

Аналоги заявляемого технического решения автором не найдены.

Целями изобретения являются повышение точности автоматизированною процесса измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика внутри магнитного зазора по его длине L и оценка степени однородности его магнитных свойств.

Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика, выполненного в виде кольца, краем помещенного в магнитный зазор электромагнита с регулируемым в широких пределах постоянным магнитным полем, и вращающегося от синхронного электродвигателя, подключенного к многофазному генератору с регулируемой частотой, а также включающем магнитный датчик с обмоткой, образующей с параллельно подключенным к ней подстраиваемым конденсатором колебательный контур высокочастотного генератора, выходом подключенного к первому входу смесителя, ко второму входу которого подсоединен выход опорного генератора перестраиваемой частоты, выход смесителя связан с первым информационным входом блока вычисления и индикации, на второй, третий и четвертый информационные входы которого подключены соответственно выход одной из фаз многофазного генератора, регулируемого источника постоянного тока и датчика угла перемещения магнитного датчика относительно боковой поверхности ферромагнитного кольца в пределах длины магнитного зазора электромагнита, причем указанное перемещение осуществлено с помощью шагового привода, связанного механически с датчиком угла и управляемого от блока вычисления и индикации, который также управляет программно частотой многофазного генератора и регулируемого источника постоянного тока, подключенного к обмотке электромагнита.

Достижение целей изобретения объясняется стационарностью картины динамического распределения магнитной восприимчивости при достаточной однородности ферромагнитного вещества в составе кольца, вращающегося с той или иной постоянной угловой скоростью относительно магнитного зазора с регулируемым постоянным магнитным полем, создаваемым электромагнитом и регулируемым источником постоянного тока, а также изменением частоты настройки колебательного контура высокочастотного генератора при изменении углового положения магнитного датчика внутри магнитного зазора относительно боковой поверхности вращающегося ферромагнитного кольца и сравнением этой частоты в смесителе с частотой опорного генератора перестраиваемой частоты, в результате чего в блоке вычисления и индикации рассчитывается значение магнитной восприимчивости ферромагнетика в функции от угла поворота магнитного датчика от начала и до конца длины магнитного зазора при заданном темпе вращения ферромагнитного кольца и заданном значении напряженности магнитного поля внутри магнитного зазора электромагнита. Многократно измеренные значения для каждого из угловых положений магнитного датчика статистически усредняются, повышая точность производимых измерений, а дисперсия для этих значений магнитной восприимчивости определяет степень однородности магнитных свойств ферромагнетика, из которого изготовлено кольцо. Данные измерений накапливаются в блоке измерения и индикации, в качестве которого может использоваться персональный компьютер (процессор) с дисплеем, на экран которого могут быть выведены результаты измерений в форме таблиц и графиков.

Заявляемое устройство представлено на рис.1 и включает следующие элементы и блоки:

1 - ферромагнитное кольцо из исследуемого ферромагнетика,

2 - ось вращения ферромагнитного кольца 1,

3 - синхронный электродвигатель с осью вращения 2,

4 - многофазный генератор с регулируемой частотой Ω, например трехфазный,

5 - электромагнит с магнитным зазором,

6 - обмотка электромагнита 5,

7 - регулируемый источник постоянного тока,

8 - магнитный датчик,

9 - обмотка магнитного датчика 8 - индуктивность колебательного контура,

10 - перестраиваемый конденсатор колебательного контура,

11 - высокочастотный генератор частоты ω₂,

12 - перестраиваемый по частоте опорный высокочастотный генератор частоты ω₁,

13 - смеситель, выделяющий разностную и суммарную частоту,

14 - блок вычисления и индикации,

15 - шаговый привод перемещения магнитного датчика 8,

16 - датчик угла.

На рис.2 показано исследуемое ферромагнитное вращающееся кольцо 1 и магнитный датчик 8, расположенный внутри магнитного зазора постоянного магнита 5 (на рис.2 магнит не показан) длиной L, соответствующей диапазону углов перемещения магнитного датчика 8 относительно боковой грани ферромагнитного кольца 1, при исследовании динамического распределения магнитной восприимчивости в диапазоне углов поворота магнитного датчика φ_НАЧ≤φ≤φ_КОН, соответствующих началу x=0 и концу х=L магнитного зазора.

На рис.3а-3г даны распределения магнитной восприимчивости χ(х)=х(φ) при различных значениях напряженности магнитного поля H в магнитном зазоре и угловой скорости Ω вращения ферромагнитного кольца.

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Известно, что собственная частота колебательного контура ω₂=1/(LC)^½, где индуктивность L обмотки 9 магнитного датчика 8 выражается соотношением L(x)=kχ(х), где k - размерный коэффициент пропорциональности [Гн], C - емкость перестраиваемого конденсатора 10, следовательно, круговая частота колебаний в высокочастотном генераторе 11, в первом приближении, обратно пропорциональна корню квадратному из магнитной восприимчивости χ(х) ферромагнетика кольца 1 с координатой х установки магнитного датчика 8 внутри магнитного зазора электромагнита 5. Расстояние между концами С-образного магнитопровода магнитного датчика 8 выбирается значительно большим величины зазора между этими концами и боковой поверхностью вращающегося ферромагнитного кольца 1. Толщина этих концов магнитопровода магнитного датчика в направлении криволинейной оси х выбрана достаточно малой. Оба этих фактора способствуют повышению точности производимых измерений. При этом следует по возможности исключить биение вращающегося ферромагнитного кольца так, чтобы зафиксировать неизменным зазор между магнитным датчиком 8 и кольцом 1, влияющим на величину индуктивности обмотки 9 колебательного контура, входящего в состав высокочастотного генератора 11. Однако наличие некоторого остаточного значения таких биений не сказывается на точности измерений, поскольку частотная модуляция колебаний в высокочастотном генераторе 11, вызванная биениями, усредняется в блоке вычисления и индикации 14 по серии периодически повторяющихся измерений для каждого из значений координаты х установки магнитного датчика 8.

Наличие неоднородности ферроматериала кольца 1 сказывается на увеличении дисперсии измеряемой величины магнитной восприимчивости χ(х), что позволяет судить о качестве изготавливаемого ферроматериала.

С целью увеличения быстродействия измерителя χ(х) в устройстве использованы перестраиваемый по частоте опорный высокочастотный генератор 12 частоты ω₁ и смеситель 13, выделяющий разностную Δω=|ω₁-ω₂| и суммарную (ω₁+ω²) частоты. При этом магнитный датчик 8 устанавливают в соответствующее положение х в магнитном зазоре электромагнита 5, в диапазоне 0≤x≤L или, что то же, в угловом диапазоне φ_НАЧ≤φ≤φ_КОН (см. рис.2), и в высокочастотном генераторе 11 возбуждаются колебания с частотой ω₂(х). При этом частота ω₁ опорного высокочастотного генератора 12 выбрана близкой к частоте высокочастотного генератора 11 при х=0. Поэтому при х>0 частота ω₂(х) сначала уменьшается в диапазоне 0≤x≤x*, как это видно на рис.3г, а затем возрастает в диапазоне х*≤х≤L, и при этом на выходе смесителя 13 выделяются сигналы разностной частоты Δω(х)=|ω₁-ω₂(х)|≈|ω₂(0)-ω₂(х)| и суммарной частоты. Знак абсолютной величины используется в этом выражении из-за возможности событий, когда ω₂<ω₁ или ω₂>ω₁. По полученному значению разностной Δω и суммарной частоты в блоке вычисления и индикации 14 находят и само распределение χ(х) во всем диапазоне 0≤х≤L по заданной программе, используя из спектра суммарно-разностной частоты те компоненты, которые не содержат весьма низких частот (например, вблизи нулевых биений), чтобы процесс измерения частоты не затягивался во времени. При этом выбор соответствующих частотных компонент для измерения частоты осуществляется с учетом динамики измерений для предыдущих значений координаты х установки магнитного датчика 8.

Например, если частота ω₂ колебаний высокочастотного генератора 11 изменяется в диапазоне 0≤х≤L установки магнитного датчика 8 от 3 МГц при x=0 до 1 МГц при х=х* и далее до 10 МГц при х=L, то при выборе в начале калибровки прибора частоты ω₁ колебаний перестраиваемого опорного генератора 12 величиной в 3,1 МГц, разностная частота Δω(х) колебаний на выходе смесителя 13 будет сначала увеличиваться от 0,1 до 2,1 МГц в интервале 0≤х≤х*, а затем уменьшаться до нулевых биений при каком-то значении х>х* и вновь возрастать до величины 6,9 МГц при х=L. На выходе смесителя 13, кроме разностной частоты Δω(х), будет присутствовать также сигнал суммарной частоты ω₁+ω₂, частота которого будет сначала уменьшаться от 6.1 МГц при x=0 до 4,1 МГц при х=х*, а затем увеличиваться до 13,1 МГц при х=L. По этим двум сигналам на выходе смесителя 13 соответствующими приемными устройствами, входящими в состав блока измерения и индикации 14, легко определяется как частота ω₁ настройки перестраиваемого опорного генератора 12, так и частота высокочастотного генератора 11, следовательно, программным расчетом определяется значение магнитной восприимчивости ферромагнетика χ(х) в интересующих положениях магнитного датчика 8 по координате x. Указанные приемники выполняются на основе электронно-перестраиваемого гетеродинирования переносом входного сигнала на промежуточную частоту с узкополосным кварцевым фильтром с амплитудным детектором. Перестройка производится программно, и значения измеренных частот |ω₁-ω₂| и (ω₁+ω₂) в двоичном коде передаются на центральный процессор блока измерения и индикации 14 для дальнейшей обработки. Задавая темп перестройки в указанных приемниках с учетом заложенной разрешающей способности при измерении частоты и полного диапазона перестройки, можно найти длительность цикла одного измерения величины χ(х) и общее время измерения этой величины при заданном значении времени необходимого числа циклов усреднения, определяющих погрешность измерения χ(х) для каждого значения координаты x. Число таких смещений магнитного датчика 8 по координате х определяется длиной магнитного зазора L и величиной шага, задаваемого шаговым приводом 15, угловое положение которого контролируется датчиком угла 16 и передается в блок измерения и индикации 14 в угловом двоичном представлении, однозначно связанном с изменениями координаты x. По мере производства полного периода измерения для координаты х с блока измерения и индикации 14 на шаговый привод 15 подается команда (в виде импульса) для смещения магнитного датчика на координату х+Δx, где Δx=L/N - величина шага, N - полное число шагов. Размер шага Δx может быть согласован с размером концов магнитного датчика 8 вдоль координатной оси х либо быть меньше последнего. Предусматривается возможность реверсирования в шаговом приводе 15 под управлением блока измерения и индикации 14.

С помощью регулируемого источника 7 постоянного тока J образуют в магнитном зазоре электромагнита 5 регулируемое, в том числе насыщающее, магнитное поле с напряженностью H_НАС, при увеличении которого уменьшается расстояние х* и одновременно возрастает в динамике вращения ферромагнитного кольца намагниченность той части ферромагнитного кольца, которая имеет мгновенную координату х=х*, что связано с тем, что магнитная восприимчивость этой части ферромагнитного кольца (его дифференциального сечения dx) достигает максимума χ_MAX* в динамике вращения ферромагнитного кольца 1, как это представлено на рис.3г.

На рис.3 показаны различные варианты распределений магнитной восприимчивости в зависимости от значений угловой скорости Ω вращения ферромагнитного кольца и напряженности магнитного поля H в магнитном зазоре длиной L. На рис.3а-3в использована напряженность магнитного поля Н=Н*, но при разных значениях угловой скорости Ω, в диапазоне Ω_МИН≤Ω≤Ω_MAX, где Ω_МИН<Ω* и Ω_МАХ>Ω*. На рис.3а магнитная восприимчивость устанавливается максимальной, не доходя до конца магнитного зазора, на рис.3б на конце его, а на рис.3в магнитная восприимчивость в конце магнитного зазора не достигает своего максимума χ_МАХ. На рис.3г напряженность магнитного поля выбрана насыщающей, то есть когда H>>H*, при оптимальной угловой скорости вращения ферромагнитного кольца Ω*. При этом магнитная восприимчивость с ростом координаты х быстро возрастает от значения χ_НАЧ до максимального значения χ_МАХ*<χ_МАХ, а затем более медленно экспоненциально убывает, принимая к концу магнитного зазора при х=L значение χ(L)<χ_НАЧ. Отметим, что неравенство χ_MAX*χ_MAX связано одновременно протекающими процессами быстрого возрастания магнитной восприимчивости в магнитном поле с напряженностью Н_НАС>>Н* и ее более медленного уменьшения в насыщающем магнитном поле.

Управление угловой скоростью вращения Ω ферромагнитного кольца 1 с помощью синхронного электродвигателя 3 по сигналу с многофазного генератора 4 с регулируемой частотой и током подмагничивания J от регулируемого источника постоянного тока 7, связанного с обмоткой 6 электромагнита 5, обеспечивается программно при работе блока измерения и индикации 14 под управлением оператора. Это позволяет автоматизировать процесс измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика кольца 1 при различных начальных условиях, задаваемых оператором.

Важно еще раз отметить, что указанное распределение χ(х) является усредненно статическим и является функцией от величин тока подмагничивания J в электромагните 5 и угловой скорости вращения Ω ферромагнитного кольца 1. В отсутствие вращения кольца 1 значение χ(х)=const(x) и определяется только величиной тока J, то есть напряженностью магнитного поля H в магнитном зазоре. В отсутствие подмагничивания, то есть при Н=0, во всех точках х значение χ(х)=χ_НАЧ независимо от значения величины Ω. Последнее позволяет осуществить предварительную калибровку прибора настройкой перестраиваемого опорного генератора 12 на требуемую исходную частоту и подстроить перестраиваемым конденсатором 10 частоту колебательного контура высокочастотного генератора 11 с учетом выставленного зазора между концами магнитного датчика 8 и боковой гранью ферромагнитного кольца 1.

Кривая распределения χ(х) на рис.3г указывает на фактор смещения центра намагниченности ферромагнетика, находящегося в магнитном зазоре, в динамике вращения ферромагнитного кольца к началу магнитного зазора по ходу вращения кольца, следовательно, положение этого центра намагниченности Х_О опережает положение центра магнитного притяжения L/2, то есть Х_О<L/2, что приводит к возникновению постоянно действующей силы. приложенной к вращающемуся кольцу со стороны магнитного поля. создаваемого в магнитном зазоре электромагнита.

Литература

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. М., 1971;

2. Kronmiiller Н., Nachwirkung in Kerromagnetika, В.- [u.a.], 1968;

3. Меньших О.Ф. Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2338216, опубл. в №31 от 10.11.2008;

4. Меньших О.Ф. Способ измерения магнитной вязкости ферроматериалов, Патент РФ №2357240. опубл. в №15 от 27.05.2009;

5. Меньших О.Ф. Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2357241, опубл. в №15 от 27.05.2009;

6. Меньших О.Ф. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778. опубл. в бюлл. №24, от 27.08.2008;

7. Weiss P., Forrer R., Aimantation et phenomene magngtocalorique du nickel "Ann de Phys.", 1926, v.5, p.153;

8. Белов К.П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957;

9. Никитин С.А. и др. Особенности магнитного поведения и магнитокалорический эффект в монокристалле гадолиния, "ЖЭТФ", 1978, т.74. с.205;

10. Никитин С.А. и др., Магнитные фазовые превращения и Магнитокалорический эффект в монокристаллах сплавов Tb-Y, "ЖЭТФ", 1977, т.73. с.228;

11. Архаров A.M., Брандт Н.Б., Жердев А.А. О возможности создания магнитных холодильных машин. "Холодильная техника", 1980, №8. с.13;

12. Паташинский А.З., Покровский В.Л., Флуктуационная теория фазовых переходов. 2 изд., М., 1982.

Источники патентной информации

RU 2309527 С1, 27.10.2007. RU 2291546 C1, 10.01.2007.

JP 20011255305 A, 21.09.2001. JP 63180851 A, 25.07.1988.

Устройство для измерения динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнетика, выполненного в виде кольца, краем помещенного в магнитный зазор электромагнита с регулируемым в широких пределах постоянным магнитным полем, и вращающегося от синхронного электродвигателя, подключенного к многофазному генератору с регулируемой частотой, а также включающее магнитный датчик с обмоткой, образующей с параллельно подключенным к ней подстраиваемым конденсатором колебательный контур высокочастотного генератора, выходом подключенного к первому входу смесителя, ко второму входу которого подсоединен выход опорного генератора перестраиваемой частоты, выход смесителя связан с первым информационным входом блока вычисления и индикации, на второй, третий и четвертый информационные входы которого подключены соответственно выход одной из фаз многофазного генератора, регулируемого источника постоянного тока и датчика угла перемещения магнитного датчика относительно боковой поверхности ферромагнитного кольца в пределах длины магнитного зазора электромагнита, причем указанное перемещение осуществлено с помощью шагового привода, связанного механически с датчиком угла и управляемого от блока вычисления и индикации, который также программно управляет частотой многофазного генератора и регулируемого источника постоянного тока, подключенного к обмотке электромагнита.