СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ГИСТЕРЕЗИСНОЙ ПЕТЛИ
METHOD OF MEASURING HYSTERESIS LOOP

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для быстрой регистрации основных и частных статических петель гистерезиса ферромагнитных материалов.
Известны сложные и медленные баллистические методы получения статических петель гистерезиса (Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали // М.: Энергия, 1974. - 240 с. Стр. 190-199, 17-25, 66-89). Недостатком таких методов является сложность их реализации и низкое быстродействие.
Известен способ снятия гистерезисных петель на катодном осциллографе (Мосткова Г.П. Снятие гистерезисных петель на катодном осциллографе // Заводская лаборатория. - 1951. - №11. - С.1350 - 1364), в котором синусоидальное напряжение возбуждения подают на намагничивающую обмотку, сигнал напряженности магнитного поля, пропорциональный току намагничивающей обмотки, подают на пластины горизонтального смещения осциллографа, а сигнал индукции магнитного поля, пропорциональный интегралу ЭДС измерительной обмотки, подают на пластины вертикального смещения осциллографа. Недостатком способа является низкая информативность вследствие невозможности получения статических петель гистерезиса из-за влияния вихревых токов.
Известен способ регистрации магнитных характеристик сердечника магнитного усилителя (US 4044302, кл. G01R 33/12, 1977), в котором для уменьшения нагрева образца непрерывное напряжение возбуждения заменяют прерывистыми пачками (радиоимпульсами). Недостаток предыдущего способа - невозможность регистрации статических петель гистерезиса - при этом сохраняется.
Известен способ определения статических магнитных характеристик ферромагнитных образцов (SU 1638685, кл. G01R 33/14, 1991), когда ферробразец перемагничивают на нужном участке петли гистерезиса с малой скоростью перемагничивания, потому что уменьшение скорости перемагничивания снижает влияние вихревых токов и приближает получаемую петлю к статической. Но при этом измеряемый сигнал становится соизмеримым с уровнем помех, точность измерения снижается. Выделение нужного участка по данному способу не устраняет этого явления. Недостатком способа является низкая точность измерения.
Известен способ определения динамических гистерезисных кривых листовых электротехнических сталей (RU 2085963, кл. G01R 33/14, 1997). Способ представляет собой реализацию способа (см. статью Мостковой Г.П.) для листовых образцов. Недостаток - низкая информативность из-за невозможности определения статических петель гистерезиса.
Известен способ, реализованный в устройстве для контроля динамики сложного намагничивания ферромагнетиков сигналом сложной формы (SU 901960, G01R 33/14, 1982), содержащим низкочастотную и высокочастотную составляющие. Способ обладает низкой информативностью из-за невозможности регистрации статических петель гистерезиса.
Известно устройство (SU 824088, G01R 33/14, 1981), которое реализует способ регистрации гистерезисных петель зависимостей сигналов напряженности и индукции магнитного образца, снабженного намагничивающей и измерительной обмотками, посредством подачи периодического сигнала возбуждения сложной формы, содержащего высокочастотную и низкочастотную составляющие, на намагничивающую обмотку, регистрацией сигнала напряженности магнитного поля, пропорционального току намагничивающей обмотки, а сигнала индукции, пропорционального интегралу электродвижущей силы (ЭДС) измерительной обмотки. Недостатком данного способа, принятого в качестве прототипа, является низкая информативность вследствие невозможности получения статических петель гистерезиса
Технической задачей предложения является повышение информативности путем быстрого получения с помощью регистратора статической петли гистерезиса магнитного образца.
Указанная задача решается тем, что в способе регистрации гистерезисной петли, зависимости сигналов напряженности и индукции магнитного поля магнитного образца, снабженного намагничивающей обмоткой и измерительными обмотками, включающем подачу на намагничивающую обмотку периодического сигнала возбуждения сложной формы, содержащего высокочастотную и низкочастотную составляющие, регистрацию сигнала напряженности магнитного поля, пропорционального току намагничивающей обмотки, и регистрацию сигнала индукции магнитного поля, пропорционального интегралу электродвижущей силы (ЭДС) измерительной обмотки, согласно изобретению сигнал возбуждения сложной формы формируют так, что внутри цикла полного перемагничивания он меняет знак только один раз, уточняют регистрируемый сигнал напряженности магнитного поля вычитанием из него сигнала ЭДС с коэффициентом пропорциональности, величину которого подстраивают наблюдением за регистрируемой петлей гистерезиса так, чтобы петля имела монотонную форму без чередований участков выпуклости и вогнутости.
Для автоматического осуществления способа коэффициент пропорциональности можно подстраивать до получения нулевого среднего значения произведения уточненного сигнала напряженности на высокочастотную составляющую напряжения возбуждения с его динамической коррекцией.
m
В изобретении использована известная возможность разделения физических явлений магнитного гистерезиса и вихревых токов, когда действие последних может быть сведено к эквивалентному сопротивлению потерь на вихревые токи R (Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1969. - С.194, 196). Именно эта возможность использована при разделении интегральных потерь в стали на линейно зависящие от частоты перемагничивания гистерезисные и квадратично зависящие от частоты перемагничивания вихревые потери (Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали // М.: Энергия, 1974. - С.17-25, 66-89).
Заявителем впервые предложен способ формирования формы сигнала возбуждения и обработки измеряемых сигналов таким образом, чтобы скомпенсировать мгновенную составляющую вихревых токов, оставляя только ток, обусловленный магнитным гистерезисом. Компенсацию осуществляют вычитанием из регистрируемого сигнала возбуждения сигнала ЭДС обмотки возбуждения с коэффициентом пропорциональности, величину которого подстраивают предлагаемыми действиями человека или автомата.
1
2
1
2
Сущность изобретения поясняется чертежами и диаграммами сигналов, где на фиг.1 приведен пример реализации способа средствами аналоговой техники; на фиг.2 - пример реализации способа средствами цифровой техники и ЭВМ; на фиг.3 - пример временных (сигнал от времени) диаграмм двух возможных форм (а - синусоидальная и б - прямоугольная на участках) сигналов напряжения возбуждения е+е, его первой низкочастотной е и второй высокочастотной e составляющих; на фиг.4 - примеры фазовых (сигнал от сигнала) диаграмм циклов перемагничивания (напряженность от индукции), снятых в схеме фиг.1 при прямоугольных составляющих сигнала возбуждения, показанных на фиг.3, б:
а) при недокомпенсации вихревых токов;
б) при компенсации вихревых токов;
в) при перекомпенсации вихревых токов.
д
c
Наружные циклы h - диаграммы динамических циклов перемагничивания без компенсации вихревых токов, внутренние h - диаграммы квазистатических циклов при оговоренных разных степенях компенсации вихревых токов.
На фиг.5 приведена схема замещения магнитного образца с обмотками при раздельном описании физических явлений магнитного гистерезиса и вихревых токов.
Способ реализуется устройством (фиг.1 - средствами аналоговой техники), которое содержит магнитный образец 1 с намагничивающей 2 и измерительными 3, 4 обмотками, блок намагничивания в виде двух последовательно соединенных источников электрических сигналов низкой 5 и высокой 6 частоты с измерителем тока в виде шунта 7, интегратор 8, двухкоординатный регистратор 9 с входами измерения индукции 10 и напряженности 11 образца, делитель напряжения 12 с входом коэффициента деления и наблюдатель 13, который может быть человеком или автоматом. Наблюдатель-автомат выполнен на перемножителе 14, двух динамических блоках регулирования 15 и коррекции 16. Термин "наблюдатель" в физике и в теории автоматического управления распространяется и на человека, и на автомат. При этом источники 5, 6 подключены к намагничивающей обмотке 2, вход интегратора 8 подключен к измерительной обмотке 3, выход интегратора подключен к входу измерения индукции 10 регистратора 9. К измерительной обмотке 4 подключен делитель напряжения 12 с входом коэффициента деления, выход делителя подключен последовательно через выход измерителя тока 7 к входу измерения напряженности регистратора 11, вход коэффициента деления подключен к наблюдателю 13 за процессом регистрации.
Когда наблюдатель 13 представлен автоматом, вход измерения напряженности 11 регистратора 9 подключен к одному входу перемножителя 14, источник сигнала высокой частоты 6 через блок динамический коррекции 16 подключен ко второму входу перемножителя 14, выход перемножителя через динамический регулятор 15 (электрическая машина М постоянного тока) подключен к входу коэффициента деления делителя 12. На практике вал машины М 15 соединен (штриховая линия) с бегунком потенциометра 12 и перемещает его.
Устройство для осуществления способа (фиг.2 - средствами цифровой техники и ЭВМ) содержит упомянутые элементы 1, 2, 3, 7, управляющую электронно-вычислительную машину ЭВМ 17, цифроаналоговый преобразователь ЦАП 18, двухвходовой аналого-цифровой преобразователь 19. Кодовый вход ЦАП 18 подключен к выходу ЭВМ 17, а аналоговый выход - к намагничивающей обмотке 2. К первому аналоговому входу АЦП 19 подключен выход измерительной обмотки 3, ко второму аналоговому входу АЦП 19 подключен выход измерителя тока 7, кодовый выход АЦП 19 подключен к входу ЭВМ 17.
В устройстве (фиг.2) ЭВМ выполняет все функции формирования сигнала возбуждения, измерения сигналов с обмоток образца, выполнения всех математических операций, включая операции наблюдателя, регистрации результатов в своей памяти и вывод их на экран монитора. При этом сохраняется возможность возложения функции наблюдателя на человека, который смотрит на экран монитора и корректирует значение коэффициента К. Человек может оперативно менять сложную форму сигнала возбуждения в рамках предложенного способа.
Способ осуществляют следующим образом.
m
При перемагничивании магнитного образца с известными значениями сечения S и длины магнитного пути l на измерительных обмотках 3, 4 с числом витков W наводится ЭДС, пропорциональная производной индукции
д
c
Поэтому интегрирование ЭДС позволяет получить сигнал, пропорциональный индукции b. В схемах на фиг.1, 5 роль интегратора выполняет RС-цепочка 8, в схеме на фиг.2 интеграл вычисляет ЭВМ численными методами. В любом случае входные сопротивления интегратора 8 или АЦП 19 должно быть таким большим, чтобы их входные токи не влияли на процессы перемагничивания. В задачах измерений чего-либо по моделям физических явлений в нем обычно переходят к безразмерным относительным единицам, тогда уравнение (1) упрощается до е=db/dt, на экспериментальных диаграммах единицы по осям можно не проставлять, важны пропорции сравниваемых диаграмм h и h, как на фиг.4.
д
m
1
1
1
1
д
д
1
1
1
д
Одним уравнением физические явления в образце 1 описывают, используя закон баланса ампер-витков и динамической напряженности h·l=i·W, через ток i и число W первичной намагничивающей обмотки. Здесь влияние вихревых токов отдельно не учитывается, они как бы входят в значение напряженности h, что пояснено ниже выражением (2). В относительных единицах это запишется h=i. В схемах на фиг.1, 2 с шунта (измерителя тока) 7 снимается сигнал напряжения, пропорционального току i, в относительных единицах это будет сигнал i. Наружные замкнутые диаграммы h=F(b) на фиг.4 на экране двухкоординатного регистратора 9 иллюстрируют получаемые при этом динамические петли гистерезиса с вихревыми токами.
При раздельном описании физических явлений магнитного гистерезиса и вихревых токов в образце 1:
m
1) влияние вихревых токов учитывают постоянным линейным частотонезависимым активным сопротивлением потерь R (фиг.5);
2) траектория движения в одну сторону по статической петле гистерезиса не зависит от скорости этого движения. При смене же направления движения оно идет по другой траектории частного цикла перемагничивания.
m
m
Поэтому при увеличении частоты перемагничивания по тому же гистерезисному циклу потери на гистерезис будут пропорциональны площади статического гистерезиса на число циклов перемагничивания, т.е. пропорциональны частоте при той же амплитуде индукции. Падение напряжения на L (фиг.5) или ЭДС е при этом пропорциональны частоте, а потери в активном сопротивлении R пропорциональны квадрату ЭДС или квадрату частоты. Поэтому такая дифференциальная модель не противоречит общепринятой интегральной модели с разделениями потерь в магнетиках на потери на гистерезис и потери на вихревые токи по интегральным измерениям (см. Дружинин В.В.). Термин "дифференциальный" применяют к моделям для мгновенных сигналов, "интегральный" - для средних (проинтегрированных) за цикл сигналов.
m
m
1
m
1
c
д
Составляющая вихревого тока через R (фиг.5) суммируется со статическим током намагничивания через L и создает измеряемый ток i через шунт (измеритель тока) 7. Ток через R пропорционален ЭДС е, значит с делителя 12 можно снять также пропорциональный сигнал К·е, который скомпенсирует влияние вихревых токов в измеряемом сигнале i, и можно точнее измерить напряженность h перемагничивания образца 1 по статической петле гистерезиса без вихревых токов в отличие от ранее измеряемой h в известном способе. В относительных единицах такие действия соответствуют выражению
m
Ток сопротивления делителя 12 складывается с током сопротивления потерь на вихревые токи R (фиг.5), поэтому влияние этого делителя также должно быть скомпенсировано коэффициентом К. Так же можно скомпенсировать влияние входного тока интегратора 8.
c
д
В схеме на фиг.1 встречно-последовательное соединение шунта 7 и делителя 12 реализуют действия по выражению (2). В схеме на фиг.2 выражение (2) реализуют вычислительными методами внутри ЭВМ 17. При этом в обеих схемах на экране регистратора получают диаграммы квазистатических циклов h=f(b) при разных значениях коэффициента К (фиг.4) внутри динамических циклов перемагничивания h=F(b).
c
При питании намагничивающей обмотки 2 на фиг.1, 2 чисто синусоидальным напряжением на экране регистратора (как на фиг.4) будут получены две расположенные одна в другой гладкие петли гистерезиса. Внутренняя петля h- с компенсацией вихревых токов - будет плавно сужаться при увеличении коэффициента компенсации К от недокомпенсации до перекомпенсации, и найти точное значение коэффициента компенсации наблюдателю 13 проблематично.
1
2
д
c
s
m
c
д
c
m
Ситуация меняется при питании намагничивающей обмотки 2 сигналом е+e сложной формы. Форма на фиг.3,б близка к оптимальной. На экране двухкоординатного регистратора 9 получаются две петли (h и h) при разных значениях коэффициента К по мере его увеличения от значения недокомпенсации (фиг.4,а) к перекомпенсации (фиг.4,в). Фронты с бесконечным наклоном прямоугольных сигналов возбуждения (фиг.3,б) сглаживаются индуктивностью потока рассеяния L (фиг.5) намагничивающей обмотки. Поэтому в ЭДС е намагничивающей обмотки нет крутых фронтов, нет скачка вихревой составляющей тока через активное сопротивление R, нет их на диаграммах петель на фиг.4. Однако сглаженная прямоугольная форма просматривается в диаграммах h и особенно в h. При увеличении коэффициента К от фиг.4,а к фиг.4,в петля h сужается, но еще быстрее уменьшаются участки выпуклостей и вогнутостей. На фиг.4,б видна полная компенсация вихревой составляющей тока через R (фиг.5) сигналом К·е (2), затем начинается перекомпенсация (фиг.4,в). Величину К подстраивают, наблюдая за регистрируемой петлей гистерезиса (фиг.4) так, чтобы петля имела монотонную форму без чередований участков выпуклости и вогнутости, как на фиг.4,б. Это говорит о полной компенсации частотно-зависимых составляющих поля, а именно поля вихревых токов.
c
2
1
2
Для такого наблюдения за экраном монитора нужен интеллект человека или требуется сложный автомат с системой технического зрения и распознавания образов. Для автоматической подстройки величины К в наблюдателе-автомате 13 (фиг.1) умножают уточненный сигнал напряженности h (2) на вторую высокочастотную составляющую е сигнала возбуждения е+е и меняют величину К до получения нулевого среднего значения произведения. На фиг.1 произведение получается на выходе перемножителя 14, выход которого подан на машину постоянного тока М 15, вал которой перемещает бегунок потенциометра (делителя напряжения) 12. При положительном напряжении машина вращается в одну сторону со скоростью, пропорциональной напряжению, при отрицательном - в другую. В режиме полной компенсации среднее значение произведения, или напряжение на машине, равно нулю, и машина останавливается. Усреднение произведения осуществляется механической инерцией машины. Такую же функцию может выполнить электронный динамический регулятор, тогда делитель 12 надо заменить перемножителем ЭДС е измерительной обмотки 4 на сглаженный сигнал (коэффициент К) с выхода регулятора 15.
s
Лучше всего следить за средним значением произведения двух упомянутых сигналов, когда они синфазны, поэтому полезно сдвинуть один из сигналов динамическим блоком коррекции 16. Эксперименты на фиг.4 проведены без этой коррекции, что общепринято в большинстве измерительных приборов от бытового счетчика электроэнергии. Чтобы получить хороший результат без коррекции, намагничивающую обмотку 2 надо выполнить так, чтобы ее индуктивность рассеяния L (фиг.5) была минимальной.
1
2
Указанный эффект может быть получен и при других сложных формах сигнала возбуждения е+е, простейшей из них будет сумма двух синусоид (фиг.3,а). В любом случае нельзя допустить обратных возвратов (частных циклов перемагничивания) при движении по одной половине петли гистерезиса. То есть недопустимо перемагничивание способом, показанным в аналоге (SU 901960, G01R 33/14, 1982) на фиг.2,б. Это обеспечивается тем, что внутри цикла полного перемагничивания сигнал возбуждения сложной формы меняет знак только один раз, как на фиг.3.
Лучший эффект достигается при сигналах с крутыми фронтами, при этом особо важна область нулевых значений индукций. На фиг.3,б это достигается серией прямоугольных импульсов. Для измерения достаточно и одного импульса.
Предлагаемый способ в равной мере применим и для регистрации частных статических петель гистерезиса.
1
2
Суть предложения не изменится при питании намагничивающей обмотки 2 не от источников напряжений е, е на фиг.1, а от источников тока. Тогда два источника тока разной частоты надо подключить параллельно к намагничивающей обмотке, на перемножитель 14 надо подать сигнал тока от второго высокочастотного источника. Формула изобретения защищает и этот случай: в ней напряжение и ток объединены термином «сигнал», последовательное соединение источников напряжения и параллельное источников тока объединены термином «сигнал возбуждения сложной формы, содержащий высокочастотную и низкочастотную составляющие».
1
Таким образом, изобретение позволяет просто и быстро получать на экране и в памяти регистратора различные статические циклы перемагничивания магнитного образца 1 в рамках раздельного описания физических явлений магнитного гистерезиса и вихревых токов (см. фиг.5) в нем. Совпадение с экспериментальными исследованиями получилось хорошее для электротехнических сталей при частоте сигнала е-50 Гц. Более глубокое изучение этих процессов потребует дальнейших уточнений предложенного способа, не отменяя, а дополняя его действия.