УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА МЕТОДОМ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к физике, а именно, к анализу материалов путем бесконтактного определения электрического сопротивления нагреваемого тела в зависимости от температуры, в частности, к определению относительной электропроводности металлов и сплавов в жидком и/или твердом состоянии.
i
Известно устройство для бесконтактного измерения электрического сопротивления металлического твердого образца или его расплава методом вращающегося магнитного поля - см. пат. РФ №2299425 - аналог. Измерения являются относительными и заключаются в том, что в каждой температурной точке при нагреве и охлаждении, посредством отраженного светового луча на оптической шкале определяют угол поворота φ исследуемого металлического сплава, расположенного в электропечи на одном из концов подвески во вращающемся магнитном поле, создаваемом магнитным узлом, подключенным к трехфазной силовой сети и размещенным в зоне нагрева исследуемого сплава снаружи электропечи. Определяют токи I, протекающие через каждую из катушек этого магнитного узла, выполненного в виде трехфазного статора и вычисляют удельное сопротивление ρ по формуле:
0
0
0
0
0
где m, m - массы исследуемого и эталонного образцов соответственно; d, d - плотности исследуемого и эталонного образцов соответственно; ρ - удельное электрическое сопротивление эталона; φ, φ - углы закручивания исследуемого и эталонного образцов соответственно, определяемые по отклонениям отраженного светового луча на оптической шкале; I, I - ток, проходящий по катушкам магнитного узла, являющегося источником вращающегося магнитного поля при исследовании образца и эталона соответственно.
i
Также известна установка для измерения электрического сопротивления металлов в твердом и жидком состоянии - см. А.В. Рябина и др. «Безэлектродный метод измерения электросопротивления металлов в твердом и жидком состоянии и его реализации», журн. «Расплавы», 2009, №1, с. 36÷42 - аналог. Аналогично вышеописанному, определяют углы поворота (исследуемого металлического сплава, расположенного на одном из концов подвески во вращающемся магнитном поле, создаваемом магнитным узлом, размещенным в зоне нагрева исследуемого сплава снаружи электропечи, и токи I, протекающие через катушки этого магнитного узла, выполненного в виде трехфазного статора, после чего вычисляют удельное электрическое сопротивление ρ исследуемого металлического сплава. Для определения токов и индикации целостности электрических цепей магнитного узла используют три амперметра Д-553, показания которых усредняют.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для бесконтактного измерения удельного сопротивления методом вращающегося магнитного поля - см. Г.В. Тягунов и др. «Измерение удельного электросопротивления методом вращающегося магнитного поля», журн. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». Москва:, 2003, №2, том 69, 35÷37 - прототип, содержащее электропечь, в зоне нагрева которой на одном из концов упругой подвески закреплен тигель, в котором размещен исследуемый образец металлического сплава, источник вращающегося магнитного поля, магнитная система которого расположена вокруг электропечи в виде трех катушек трехфазного статора, электрически соединенных между собой, в частности, треугольником, датчики тока, подключенные к катушкам, и компьютер.
i
cр
Недостатком аналогов и прототипа является то, что для реализации требуемой точности при измерениях, проводимых в каждой температурной точке как при нагреве, так и охлаждении исследуемого сплава, считывают значения токов I в каждой катушке магнитного узла, затем усредняют эти данные, вычисляют среднее значения тока I и используют его для окончательных вычислений. Одновременно при этом индикацию целостности электрических цепей магнитного узла осуществляют путем наблюдения за наличием ненулевых показаний измерителей тока, однако аппаратурная сигнализация о нарушении этой целостности отсутствует. Это усложняет и удорожает эксперименты, а также требует дополнительного времени для осуществления измерений.
Задачей предлагаемой полезной модели является сокращение времени измерений, упрощение и удешевление эксперимента при сохранении требуемой точности.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления металлического сплава методом вращающегося магнитного поля.
1. Устройство для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления металлического сплава методом вращающегося магнитного поля, включающее электропечь, в зоне нагрева которой на одном из концов упругой подвески закреплен тигель, в котором размещен исследуемый образец металлического сплава, источник вращающегося магнитного поля, магнитная система которого расположена вокруг электропечи в виде трех катушек трехфазного статора, электрически соединенных между собой, в частности, треугольником, датчики тока, подключенные к катушкам, и компьютер, отличающееся тем, что в устройство введены образцовый резистор, три трансформатора тока, мультиметр и устройство сигнализации, содержащее три вычитающих устройства, сумматор, пороговый элемент, оптический индикатор, образцовый резистор соединен последовательно с соединительным проводом одной из катушек трехфазного статора, входы мультиметра соединены с выводами образцового резистора, выход мультиметра соединен с одним из входов компьютера, соединительный провод каждой из катушек проходит сквозь один из трех трансформаторов тока, каждый из которых имеет функцию одного из датчиков тока, разнополярные входы двух вычитающих устройств подключены параллельно выходным обмоткам одного из трансформаторов тока, выходы вычитающих устройств соединены со входами сумматора, выход которого через пороговый элемент соединен с оптическим индикатором и другим входом компьютера.
Предложенное техническое решение обеспечивают технический результат: упрощение и удешевление эксперимента при сохранении требуемой точности.
Предлагаемая полезная модель поясняется блок-схемой, приведенной на фиг.1.
Устройство для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления металлического сплава методом вращающегося магнитного поля содержит электропечь с тиглем, содержащим исследуемый сплав (на схеме не показаны), магнитный узел 1, содержащий трехфазный статор в виде трех катушек 2, 3, 4, трансформаторы тока 5, 6, 7, образцовый резистор 8, мультиметр 9, компьютер 10, устройство сигнализации 11, состоящее из вычитающих устройств 12, 13, 14, сумматора 15, порогового элемента 16, оптического индикатора 17.
Магнитный узел 1 общей мощностью 650 Вт питается от силовой 3-х фазной сети, стабилизированной посредством стабилизатора «Штиль 6000 3Р» (на схеме не показано) в пределах +/- 7%, размещен вокруг электропечи в области зоны нагрева тигля с исследуемым образцом. Катушки 2, 3, 4 одинаковы и имеют парную симметричную конструкцию. Три трансформатора тока 5, 6, 7 выполнены в виде тороидальных трансформаторов тока ТТ43065, током 5 А, фирмы «Гаммамет», г. Екатеринбург. Сквозь каждый из них пропущен один из проводов, подключенные к одному из концов каждой из катушек 2, 3, 4. Образцовый резистор 8 выполнен в виде типового прецизионного 4-х выводного лабораторного резистора, размещенного в цилиндрическом контейнере, номиналом 0,1 Ом с погрешностью 0,1%. Мультиметр 9 типа В7-62 снабжен стандартным интерфейсом для соединения с компьютером 10, который является управляющим и вычисляющим для всей установки. Устройство сигнализации 11 содержит три вычитающих устройства 12, 13, 14 и сумматор 15 резистивного типа, выполненные на стандартном счетверенном операционном усилителе LM324 фирмы NS. Пороговый элемент 16 представляет собой триггер Шмитта, выполненный на операционном усилителе LM 358 фирмы NS, оптический индикатор 17 - светодиод АЛ 307. Устройство сигнализации 11 может быть выполнено в виде виртуального блока в составе компьютера 10 с соответствующим программным обеспечением.
Устройство функционирует следующим образом. Проводят штатные предварительные операции, после которых включают магнитный узел 1. Значение падения переменного напряжения на образцовом резисторе 8 измеряют мультиметром 9, показания которого, деленные на величину сопротивления образцового резистора 9, численно равны величине тока, протекающего через образцовый резистор 8 и одну из катушек 4. Кроме того, сигнал с выходных обмоток трансформаторов тока 5, 6, 7 в виде напряжения поступает на входы трех вычитающих устройств 12, 13, 14, причем разнополярные входы двух вычитающих устройств, например, 12 и 14, подключены параллельно выходным обмоткам одного из трансформаторов тока, 5, 6, 7, например, 7. Если нет обрывов в катушках 2, 3, 4 отсутствуют сигналы на входах сумматора 15 и на выходе порогового элемента 16. Оптический индикатор 17 не светится. Если есть обрыв хоть в одной из катушек 2, 3, 4, появляется разница в сигналах на выходных обмотках трансформаторов тока 5, 6, 7, на выходе одного или всех вычитающих устройств 12, 13, 14 и на выходе устройства сигнализации 11 появляется отличный от нуля сигнал, который через сумматор 15 поступает на пороговый элемент 16, который вырабатывает сигнал срабатывания оптического индикатора 17. Можно подключить к выходным обмоткам трансформаторов тока 5, 6, 7 простейшие индикаторы в виде, например стрелочные типа М47621 или М478 с диодом, например Д9, для использования их в качестве индикаторов как наличия, так и оценочного значения величины тока в каждой из катушек 2, 3, 4. Точное значение тока определяют только в одной из катушек 2, 3, 4 посредством мультиметра 9, подключенного к выводам образцового резистора 8. Это позволяет обойтись при экспериментах только одним точным прибором мультиметром 9.
-8
-8
-8
При сравнительном определении ρ сплава Al-Со в диапазоне температур +(830÷1200)°C по 12 точкам использовали один мультиметр 9 и три аналогичных прибора, подключенных по аналогичным схемам к каждой из трех катушек 2, 3, 4, с последующим усреднением их показаний и использованием усредненного результата как точной величины тока для расчетов по вышеприведенной формуле (1). В конечном, вычисленном по данным эксперимента значении ρ, его величина изменялась от ρ=39,71 (при +830°C) до ρ=51,33 (при +1200°C)·10 Ом·м, в среднем (44,36+/-0,86)·10 Ом·м.. Различие обоих методов равно: σ=1,05·10 Ом·м, т.е. разница в определении ρ составляет примерно 2%. Такая погрешность допустима, поскольку, например, погрешность определения плотности d, величина которой используется в формуле (1), составляет величину, близкую к 1,8%, а нестабильность источника питания магнитного узла 1, как указано выше, составляет 6-7%. Кроме того, общая относительная ошибка определения ρ составляет 3% по литературным данным - см. прототип. В то же время уменьшение массива данных в три раза, например, с 39 до 13 измеренных точек, ускоряет, упрощает и удешевляет эксперимент.