Способ измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы /его варианты/

 

Союз Советских

Социалистических .Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

920591

Г

///:сФ -"-Ф (63) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 160780 (21) 2958283/18-21 (51) М. Кл.з с присоединением заявки ¹

G R 33/02

Государственный комйтет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Р3) УДК 621. 317. . 44 (088. 8) Опубликовано 150482 Бюллетень Мо 14

Дата опубликования описания - 1504 82

« 1

A.П.Кузнецов

1 (72) Авторы изобретения

Д.К. Пискунов, С.Л. Овощни ков, В .М. Ефиме

Омский политехнический инстит (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ

ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБРАЗЦОВ РАЗОМКНУТОЙ ФОРМЫ (ЕГО ВАРИАНТЫ) 10

25

Изобретение относится к магнитоизмерительной. технике и может быть использовано для измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью, s частности стержневых сердечников электромагнитных устройств.

Известен импульсно-индукционный способ измерения магнитных моментов феррообразцов, основанный на изме-: рении приращения потокосцепления с измерительной обмоткой, расположенной по всей длине испытуемого обраэц И.

Однако использование данного способа для измерения остаточных магнитных моментов образцов связано с рядом трудностей, так как измерение. потокосцепления, по величине которого определяется остаточный магнитный момент, достигается только путем. снятия с образца измерительной обмотки, что значительно усложняет процесс измерения и затрудняет его автоматизацию.

Наиболее близким к предлагаемому является-магнитометрический способ, .основанный на использовании функциональной зависимоети между магнитной индукцией поля, создаваемого образцом, и величиной его магнитного момента (2) . Согласно данному способу измеряют индукцию магнитного поля, создаваемого образцом, и определяют остаточный магнитный момент тдосто из соотнои;ения oem )с Воетп где k — коэффициент, зависящий от координат местонахождения измерителя магнитной индукции относительно испытуемого образца, а также закона распределения намагниченности по объему образца, определяемого его формой, геометрическими размерами и магнитными свойствами (последние, в свою очередь, зависят от условий изготовления образца, способа термообработки, случайных механических воздействий-и др.)l

Воетн — магнитная индукция поля, создаваемого остаточным магнитным моментом образца в месте расположения измерителя магнитной индукции.

Однако данный способ характеризуется недостаточной точностью. Это объясняется тем, что коэффициент )с, с использованием которого определяется остаточный магнитный момент образца по величине измеренной магнит920591 ной индукции поля, зависит от характера распределения намагниченности по объему образца, который н общем случае заранее известен. Это, в свою очередь, обуславливает значительную погрешность определения коэффициента ), 6 следовательно, и магнитного момента при расстояниях между измерителем магнитной индукции и испытуемым образцом, соизмеримых с габаритными размерами последнего. При уда- 10 ленин измерителя магнитной индукции от образца влияние рассматриваемого фактора снижается, однако при этом происходит значительное уменьшение

Величины магнитной индукции что 15 приводит к снижению чувствительности и помехоустойчивости магнитометрического способа измерения магнитных моментов.

Целью изобретения является повыше" ние точности измерения остаточных магнитных моментов Ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью.

Поставленная цель достигается тем, что согласно первому варианту способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы, основанного на измерении магнитной индукции поля, создаваемого остаточным магнитным момен-30 том образца, пропускают через намагничивающую обмотку знакопеременный ток с убывающей до нуля амплитудой, затем пропускают через намагничиваю" щую обмотку постоянный ток, увеличи- 35 вая его значение от нуля до установления тех же показаний, что и при измерении магнитной индукции, соответствующей остаточному магнитному моменту образца, измеряют направле- 40 ние установленного тока и измеряют при этом приращение потокосцепления с измерительной обмотки, равномерно распределенной по всей длине образца, а остаточный магнитный момент опреде 45 ляют из соотношения дФ. 0

0с 2 где д ф- приращение потокосцепления с измерительной обмоткой; — длина образцау

W — количество витков измерительной обмотки1

Яо - магнитная постоянная.

Согласно вторсму варианту способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы, осйованного на измерении магнитной индукции поля, соэданаемого остаточным магнитным моментом образда, пропускают через намаг- 0 иичивающую обмотку ток, соответствующий линейной части зависимости индукции магнитного поля от тока в намагничивающей обмотке измеряют магнитную индукцию поля В, измеряют направление намагничивающего тока, измеряют при этом приращение потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине образца, измеряют магнитную. индукцию поля В, а остаточный магнитный момент образца определяют из соотношения

4l Р В осел восщ а и (В4 В ) где Ч вЂ” приращение потокосцепления с измерительной обмоткой; ,У " длина образца;

N - количество витков измерительной обмотки; о — магнитная постоянная;

Во - магнитная индукция поля, создаваемого остаточным магнитным моментом образца;

В и  — магнитные индукции полей, создаваемых образцом при протекании тока в намагничивающей обмотке н прямом и обратном направлениях соответстненно.

Оба варианта способа предназначены для измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью и основаны на измерении величин магнитной индукции полей, создаваемых остаточным магнитным моментом образца и магнитным моментом образца, помещенных н намаг ° ннчивающую обмотку с током, а также измерении приращения потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине испытуемого образца, при изменении направления тока н намагничивающей обмотке.

Преимуществом первого способа измерения остаточных магнитных моментон является меньшее количество операций измерения индукции, магнитного поля, преимуществом второго способа является упрощение за счет-отсутствия операции размагничивания образца знакопеременным полем с убываю-щей до нулй амплитудой.

На чертеже изображена структурная. схема устройства для осуществления способа.

Рассмотрим первый вариант способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы с высокой магнитной проницаемостью по операциям.

1. Измеряют индукцию магнитного поля, созданаЕмого образцом с остаточной намагниченностью. Индукция магнитного поля Bpg н зависимости от остаточного магнитного момента образца тпоо определяется как

В (1) 92аЬЭ1

В качестве измерителя магнитной индукции может быть использован., например, ферроэондовый магнитометр.

Расположение измерителя магнитной индукции относительно испытуемого образца произвольно, но неизменно в те-5 чении всего процесса определения остаточного магнитного момента. Выбирается это расположение, исходя из требуемых чувствительности при измерении остаточных магнитных моментов tp образцов (которая увеличивается .при приближении измерителя к испытуемому образцу) и чувствительности измерителя магнитной индукции.

2. В намагничивающую обмотку, )5 внутри которой расположен испытуемый .образец, подают знакопеременный ток с убывающей до нуля амплитудой, что приводит к уменьшению до нуля остаточного магнитного момента образца, 20 т.е. к его,размагничиванию.

3. В намагничивающую обмотку подают ток,. величина которого устанавливается такой, чтобы показание иэ" мерителя магнитной индукции было равно показанию, полученному при выполнении операций (расположение измерителя индукции остается тем же, что и при выполнении операции 1). В этом случае создается опорный магнитный момент mo, численно равный остаточ,ному магнитному моменту mocm, так как коэффициент k в выражении (1), связывающий магнитную индукцию.и магнитный момент, остается неизмен.ным при выполнении операций 1 и 3:, а в качестве источника магнитного,по. ля служит один и тот же образец. Магнитная индукция поля BoÄ создаваемая опорным магнитным моментом г, рав- 40 на

В

О ) (2)

Поскольку, согласно данному способу Во= Воc, а коэффициент остает- 45 ся неизменным, то сравнивая соотношения (1) и (2), получим

k ma am

ma " о= modem k mgam

4. В намагничивающей обмотке изменяют направление тока, оставляя неизменной его величину, которую определяют при выполнении операции 3.

5. При изменении направления тока в намагничивающей обмотке измеряют величину приращения потокосцеплеиия с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по .всеЯ длине образца. Измеренное значение потокосцепления пропорционально опорному магнитному моменту образца.

Так, приращение потокосцепления при перемагничивании образца в об.ратное направление (при измерении 65 направления тока в намагничивающей обмотке) определяется выражением: лЧ =21Тй =2 +C ВйБ=-гт» BdV (P) (П где W — количество витков в изме. рительной обмотке;

E.,S,V - длина, сечение и объем образца соответственно;

 — магнитная индукция в образце.

Учитывая, что для образцов с высокой магнитной проницаемостью

":B-/ИX, где ро - магнитная постоянная;

М вЂ” намагниченность, выражение (3) преобразуется в следую. щий вид: лЧ = " 5 1Ися (4) е

Интеграл в выражении (3) равен опорному магнитному моменту образца, поэтому выражение для приращения потокосцепления примет вид:

2Х Х/о (5)

С

Из полученного выражения следует, что результат измерения опорного маг нитного момента не зависит от характера распределения намагниченности по объему образца.

Таким образом, по результатам измерения потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей длине образца, можно определить опорный магнитный момент испытуемого образца и, следовательно, равный ему остаточный магнитный момент.

По измеренному значению приращения потокосцепления b, V, используя выражение (5), ойределяется остаточный магнитный момент moo, численно равный опорному магнитному моменту

mo, I

mocmmo (2PoW °

Если число витков измерительной обмотки W выбрать таким чтобы произГ ведение — —;"- равнялось единице, -2Po W то показания веберметра численно рав. ны остаточному магнитному моменту испытуемого образца.

Без выполнения операции 2, т.е. без размагничивания образца, невозможно создание опорного магнитного момента, численно равного остаточному, так как при подаче в намагничивающую обмотку постоянного тока любой величины (кроме нулевой) создается опорный магнитный момент больший или меньший остаточного магнитного момента.

При высокой точности измерения остаточных магнитных моментов сохраняется высокая чувствительность и помехоустойчивость способа измерения, поскольку измеритель магнитной индукции может быть расположен в непосред

920591

8 ственной близости от испытуемого образца, где магнитная индукция поля максимальная.

Рассмотрим второй вариант способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкну- 5 той формы с высокой магнитной проницаемостью по операциям.

1. Измеряют индукцию магнитного поля, создаваемого образцом с остаточной намагниченностью. Индукция 10 магнитного поля определяется. в данном случае выражением (1). Выбор места расположения измерителя магнитной индукции производится так же, как и в первом варианте способа. 15

2. В намагничивающую обмотку подают ток в условно положительном направлении и измеряют при этом индукцию магнитного поля В, создаваемого сум" мой остаточного и опорного магнитных ур

° моментов, Оe +mЯ (б)

Величину намагничивающего-тока выбирают такой, чтобы она соответство- 25 вала линейной части зависимости индукции магнитного поля от тока в намагничивающей обмотке. Наличие линейной зависимости между укаЭанными величинами объясняется тем, что .маг- ЗО нитная проницаемость разомкнутых образцов в малых полях определяется коэффициентом размагничивания, величина которого при высоких значениях магнитной проницаемости вещества образца остается постоянной,. поэтому в пределах линейноф зависимости индукции магнитного поля от тока в катушке значение коэффициента k остается постоянным. При приближении образца к насыщению, магнитная проницаемость 40, его вещества уменьшается и значение .коэффициента размагничивания меняется.- Максимальное значение намагничивающего тока, при котором не происходит изменение коэффициента размагни- 45 чивания,.и, следовательно, коэффи циента k, является верхней границей тока, создающего опорный магнитный момент. Нижняя граница определяется, исходя из чувствительности измерите- 50 ля магнитного потокосцепления, исполь зуемого в операции 4. В этих пределах и выбирается намагничивающий ток.

У

3. Изменяют направление тока в намагничивающей обмотке на противополож55 ное (условно отрицательное направление тока).

4. При изменении направления тока в намагничивающей обмотке измеряют приращение потокосцепления ь Ч .с из- 60 мерительной обмоткой, равномерно рас пределенной по всей длине испытуемого образца. Согласно выражению (5) приращение а 9 пропорционально. опорному магнитному моменту ю .

5. ИзмеРяют магнитную индукцию поля В2 при отрицательном направлении тока в намагничивающей обмотке.

Величина В1 в этом случае пропорциональна остаточному магнитному моменту за вычетом опорного магнитного момента (7)

Найдем разность между значениями индукции В1 и В, используя выражения (6) и (7), 2me

В1-вг k e (8) из .выражения .(8) следует, что разность индукций В - В пропорциональна опорному магнитному моменту. Используя (8), получим

2)по

% 1- Вг. (9)

Подставляя выражения (5) и (9) в (1), получим

П ое в = К SoclTI - 1г-х- Ь осип =

- Scm +Ä Ч В boom

Pfo VY \Ф/4о Ь1"

Полученное соотношение использует. ся при определении остаточного магнитного момента образца.

Введение дополнительных операций: размагничивания образца (в первом варианте), подачи тока определенной величины в намагничивающую обмотку, изменения направления этого тока и измерения при этом потокосцепления с измерительыой обмоткой, равномерно распределенйой по всей длине образца, измерения индукцией магнитных нолей при прямом и обратном направлениях указанного тока (во втором варианте) — позволяет повысить точность измерения остаточных магнитных моментов феррОмагнитных образцов с высокой магнитной проницаемостью. Повышение точности обусловлено, во-первых, тем, что устраняется составляющая погрешности из-за неточного определения коэффицйента k, связывающего магнитный момент и магнитную индукцию создаваемого им поля, поскольку результат измерения остаточного магнитного момента не зависит от заданного коэффициента. Во-вторых, устраняется составляющая погрешности, обусловленная характером распределения. намагниченности по объему образца, так как измеряется непосредственно опорный маг нитный момент, равный (в первом варианте) или пропорциональный (во втором варианте) остаточному магнитному моменту, с помощью измерительной обмотки равномерно распределенной по всей длине образца. В то же ф

920591

9 время дополнительная составляющая погрешности, возникающая при измерении приращения потокосцепления, может иметь незначительную величину.

Кроме того, введение указаннЫх дополнительных операций позволяет 5 упростить подготовительные операции, так как не требуется точной установ. ки (или определения) расстояния меж/ ду испытуемым образцом и магнитометром, необходимо лишь сохранить это расстояние при измерениях магнитной индукции.

Устройство для реализации способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов содержит !5 истбчник 1 постоянного тока, переключатель 2, ключ 3, переменный резистор

4, амперметр 5, намагничивающую обмотку 6, испытуемый образец 7, .измери-. тельную обмотку 8,. феррозондовый маг- 0 нитометр 9, цифровой вольтметр 10 постоянного тока, ключ 11 и,веберметр 12.

В феррозондовом магнитометре 9 используют дифференциальный феррозонд, состоящий из двух Ферроэлементов, длиной 50 мм,. феррозондовый преобразователь собран по известной схеме, включающей в себя генератор синусоидального тока, избирательный усилитель, синхронный детектор. В качестве регистрирующего прибора применен цифровой вольтметр 10 постоянного тока. Феррозонд располагается во втором гауссовом положении, т.е. на оси, перпендикулярной продольной оси образца и проходящей через его середину. Измерения проводят при расстояниях феррозонда от образца равных 10, 15, 20, 25 см. B качестве образца используют пермалловый стержень длиной 500 мм, по всей длине 40 которого расположейа измерительная обмотка 8.

Измерения согласно первому варианту способа проводятся следующим образом. 45

Ключ 3 замкнут ключ 11 разомкнут. Устанавливают переключатель 2 в положение 13, в результате чего поступающий в намагничивающую обмотку 6 ток намагничивает образец 7.

Затем переключатель 2 устанавливают в положение 14, и намагничивающая обмотка б обесточивается. При этом создается остаточный магнитный момент, .величину которого необходимо измерить. Образец находится в состоянии, соответствующем остаточному магнитному моменту. При помощи вольтметра 10 регистрируют значение напряжения с выхода феррозондового магнитометра 9, пропорциональное магнит.60 ной индукции создаваемого при этом поля. Переключатель 2 перекидивают из положения 13 в положение 15 и обратно пятнадцать раз. При этом каждый раз уменьшают напряжение вплоть 65 до нуля, поступающее от источника 1 тока.

Ключ 3 и 11.разомкнуты, переключатель 2 находится в положении 13.

Изменяя сопротивление резистора 4, устанавливают значение намагничивающего тока, при котором показание вольтметра 10 соответствует показанию, укаэанному выше.

Ключ 3 разомкнут, ключ 11 замкнут. Перекидывают переключатель 2 в положение 15 и веберметром 12 измеряют приращение потокосцепления

Ь М с измерительной обмоткой 8. По по лученному значению А (определяют маг нитный момент, численно равный остаточному магнитному моменту m0 п лЧ E

Ш0Ст

Из проведенных экспериментов следует, что полученные при различных расстояниях значения остаточного магнитного момента отличаются друг от друга не более, чем на 0,5%.

Согласно, второму варианту предлага емого способа, измерения проводятся следующим образом.

Выполняют первую и вторую операции, укаэанные выше.

Ключи 3 и 11 разомкнуты, переключатель 2 находится в положении 13.

tIo намагничивающей обмотке б течет малый ток., ограниченный резистором 4.

При помощи вольтметра 10 регистри- руют напряжение с выхода магнитометра 9, пропорциональное индукции В<, Ключ 3 разомкнут, ключ 11 замкнут. Перекидывают переключатель 2 в положение 15 и веберметром 12 измеряют приращение потокосцепления к с измерительной обмоткой 8.

При помощи вольтметра 10 регистрируют напряжение с выхода магнитометра 9, пропорциональное индукции Вр.

По полученным показаниям расчитывают остаточный магнитный момент

ЧЕВ

p w (в,-в )

Определение остаточного магнитного момента образца по второму варианту производят при подаче в намагничивающую катушку тока в 50,100, 150 раз меньшего намагничивающего тока. Максимальное отклонение измерен. ных значений остаточного магнитного момента не гревышает 0,3%.

Использование предлагаемого способа измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов с высокой магнитной проницаемостью обеспечивает по сравнению с известными способами повышение точности измерения при высоких чувствительности и помехоустойчивости, а также упрощение:подготовительных операций.

920591

ЗО

Составитель Г.Семенова

Редактор М.Недолуженко Техред y.Tenep !

Корректор Г. Огар

Заказ 2331/49 Тираж 719

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Формула изобретения

1. Способ измерения остаточных магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы, основанный на измерении магнитной индукции поля, создаваемого остаточн, магнитн 5 моментом образца, о т л и ч а ю шийся тем, что, с.целью увеличения точности, пропускают через намагничивающую обмотку знакопеременный ток с убывающей до нуля амплиту- о дой, затем пропускают через намагничивающую обмотку постоянный ток, увеличения его значение от нуля до установления тех же показаний, что и при измерении магнитной индукции, соот- 15 ветствующей остаточному магнитному моменту образца, изменяют направление установленного тока и измеряют приращение потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распре- 20 деленной по всей длине образца, а остаточный магнитный момент определяют из соотношения . е

m 0| -òï = 2 Д ро

25 где ьЧ вЂ” приращение потокосцепления с измерительной обмоткой;

1 — длина образца;

W -.количество витков измерительной обмотки1

УР— магнитная постоянная.

2. Способ измерения остаточных .магнитных моментов ферромагнитных образцов разомкнутой формы, основанный на измерении магнитной индукции поля, создаваемого остаточным магнитным моментом образца, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности, пропускают через намагничивающую обмотку ток, соответствующий линейной части зависимости индукции магнитного поля от тока в обмотке, измеряют магнитную индукцию поля В, изменяют направление намагничивающего тока, при этом измеряют приращение потокосцепления с измерительной обмоткой, равномерно распределенной по всей дли-. не образца, измеряют магнитную индук цию поля В, а остаточный магнитный момент определяют из соотношения ьЧ Е В « а W В„- В,) где B« - магнитная индукция поля, создаваемая образцом с остаточной намагниченностью;

В и  — магнитные индукции полей, создаваемых образцом при протекании тока в намагничивающей обмотке в прямом и обратном направлениях соответственноу

- длина образца;

/0о - магнитная постоянная;

И - количество витков измерительной обмотки; — приращение потокосцепления с измерительной обмоткой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Проблемы технической электродинамнки. Сборник Киев, 1973, с. 102.

2. Студенцов Н.В., Хорев В.Н °, Чечурина E.Н., Ц елкин A.Ï. Средотва измерения параметров магнитного поля. Л., "Энергия", 1979, с. 69, 2887.