Низкочастотный амплитудно-фазовый анализатор для исследования связей между характером спектра сигнала и твердостью ферромагнитных материалов

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1966

Том 141

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ХАРАКТЕРОМ СПЕКТРА СИГНАЛА И ТВЕРДОСТЬЮ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

М. С. РОЙТМАЫ, Э. И. ЦИМБАЛИСТ, Н. П. ФЕФЕЛОВ, В. Я. СУПЬЯН

Применение в промышленности н^вых конструкционных материалов и технологических процессов производства заставляет разрабатывать новые и совершенствовать существующие методы контроля качества материалов. В настоящее время разработан целый ряд методов и приборов, позволяющих контролировать показатели испытываемых образцов. С помощью таких приборов имеется возможность раздельно решать весь круг задач, возникающих в производственных условиях, таких, как точное измерение твердости, исследование структуры, измерение глубины цементации, поверхностной закалки и т. д. [1, 2, 3].

Целый ряд из описываемых методов материалов по их качественным характеристикам не пригодны для контроля изделий при их массовом производстве. Это прежде всего относится к механическим методам испытаний, таких, как испытание материалов на твердость по Бринне-лю, Роквеллу, Викерсу [1].

В связи с этим широкое применение получили электромагнитные методы контроля. Приборы для контроля твердости базируются на использовании функциональной связи между твердостью и одной из основных электромагнитных характеристик — коэрцитивной силой, остаточной индукцией, магнитной проницаемостью. Однако подавляющее большинство существующих приборов не отвечают требованиям практики. Более того, до сих пор нет научно-обоснованной теории, в соответствии с которой можно было бы создавать необходимую аппаратуру.

Указанное определяется рядом причин, в частности, отсутствием во многих случаях однозначной связи между твердостью материала и какой-либо электромагнитной характеристикой.

Целью настоящей работы было создание низкочастотного амплитудно-фазового анализатора гармоник, который позволял бы экспериментально установить корреляционные функции между спектром сигнала на выходе измерительной схемы, электромагнитными характеристиками и структурно-механическими свойствами ферромагнитных материалов. Исследование указанных зависимостей должно внести ясность в вопросе о том, какие же амплитудно-фазовые изменения в спектре выходного напряжения наиболее сильно зависят от твердости материала для данного сорта стали.

Это позволит создавать точные и удобные приборы для электрического контроля твердости ферромагнитных материалов.

Установка (рис. 1) представляет собой сочетание амплитудно-стабильного генератора (рис. 2), измерительной схемы и указателей модуля

и фазы 1-ой (50 гц), 3-ей (150 гц) и-5-ой (250 гц) гармоник (рис. 3, 4,5). Напряжение генератора (рис. 2) стабилизировано введением в цепь обратной связи термистора с косвенным подогревом (ТКП-300). Датчик (катушка индуктивности L) работает в режиме, близком к режиму заданного тока, благодаря последовательно включенному сопротивлению R.

0П7 ;,- .<V;'.Y//f<7

Рис. i. Структурная схема анализатора гармоник.

При отсутствии образца падение напряжения на катушке компенсируется регулировками фазовращателя (Я2з) и делителя /?2s. Введение в датчик ферромагнитного тела приведет к появлению напряжения на выходе измерительной схемы. Поскольку датчик работает в режиме заданного тока, то напряженность магнитного поля практически будет синусоидальной функцией времени, а индукция — несинусоидальной.

Зависимость индукции от времени при синусоидальной зависимости напряженности поля (в случае симметричной динамической петли гистерезиса) имеет вид

В (t) = Вх sin К ™ Фх) + sin (3ю* — ф3) + + Вfi sin (5o>¿ - í>5) + ....+ Вп sin (mt — фя).

Ясно, что амплитуды и фазы нечетных гармоник индукции поля, а также и э.д.с. самоиндукции в реактивной катушке несут в себе информацию об электромагнитных свойствах исследуемого материала сердечника.

Состав и соотношение между спектральными составляющими э.д.с. самоиндукции е будет определяться ходом гистерезисной петли и основными ее характеристиками (предельной намагничиваемостью Вм, коэр-

л. " л

. 6Ф!П 5НЗП

Aputtevarue

ф - petyjußefta #a передней /нгмел/ ф - jeiyj¡/p<r£*v fftr tvocc« tef

JIM* l тяад Л<ЗЛ

Рис. 4. Принципиальная схема измерительного какала ¡50 ГЦ

о • регу*ире/*в м aeptfAev ггсмем

fint-t-fít]* • peiysuffofxa яд wftcv

У cus ейue

Рнс. ¡i. Принципиальная схема измерительного какала ¿50 ru

цитивной силой магнитной проницаемостью ^х). Эти перечисленные характеристики, в свою очередь, косвенно говорят о твердости материала.

Нахождение амплитуд и фаз гармоник в напряжении на реактивной катушке сводится к нахождению коэффициентов ряда Фурье. Действительно, пусть в качестве грубого приближения петля гистерезиса аппроксимируется четырьмя ломаными линиями (рис. 6).

Тогда получим уравнения, характеризующие идеализированную •петлю гистерезиса:

1. На участке 1

2. На участке 2

3. На участке 3

4. На участке 4

2 В (coi) - \>{Н — Fc).

3 В (at) = = const.

4 B(ut) = v.(H + Fc).

1 B(mt) = — BM = const.

За счет протекания тока по реактивной катушке создается переменная напряженность магнитного поля:

Н — Ни sin оit.

э. д. с. самоиндукции d<t> L dB

re — — L

di S dt

r j^/

-— /м cos (oí (на уч. 1—2 и 3 — 4),

«S

О (на уч. 2-3 и 4 - 1).

Функция е(<обудет содержать лишь нечетные гармоники

тс/2

Л2Я+1.= — Г -

тс J Я \

где п — 0,1, 2, 3 ... /Ьл-н — амплитуда соответствующей гармоники. Например, для третьей гармоники амплитуда равна

^з =

tcS \ //

.а фаза

2 F. — H.

тс

% - 2 arc sin i -- ) - — •

Ны I 2

Из приведенных формул видно, что амплитуда третьей гармоники зависит в режиме заданного тока (1) как от магнитной проницаемости сердечника, так и от коэрцитивной силы. Фаза же 3-ей гармоники однозначно связана с изменением коэрцитивной силы материала (2).

Несинусоидальное напряжение с выхода измерительной схемы подается на три канала, в каждом из которых определяется амплитуда и фаза соответствующей гармоники.

Для измерения амплитуды и фазы напряжения применены два синхронных детектора, управляющие напряжения которых сдвинуты на 90°. Регулировкой фазовращателя ВТМ-4 добиваются нулевого показателя индикатора фазы. При этом величина амплитуды отсчитывается .по шкале электроизмерительного прибора (и2), а фаза по лимбу фазовращателя.

] Г>3

Управляющее напряжение на синхронные детекторы в каналах измерения 3 и 5 гармоник подается от генератора после умножения частоты и соответствующей фильтрации напряжения рис. 4 и 5.

При коммутации синхронного детектора синусоидальным напряжением, например, 150 гц, напряжения с частотой 50 гц и 250 гц не выпрямляются, т. е. осуществляется почти идеальная избирательность.

Практически в управляющем напряжении после умножения частоты остается некоторая величина напряжения первой гармоники. Это приводит к снижению избирательности. Анализ, проведенный авторами, показывает, что коэффициент выпрямления первой гармоники синхронным детектором при коммутации высшими гармониками равен <р,

1С

где q — отношение напряжения первой гармоники к напряжению с частотой коммутации.

ср — фазовый сдвиг между первыми гармониками в целях сигнала и коммутации.

Полный вывод приведенной форму-Рис. 6. Аппроксимация петли гите- Лы нами не дается из-за весьма большой Резиса- громоздкости выкладок. Непосредственно

из (3) следует, что в каналах измерения высших гармоник нужна хорошая фильтрация первой гармоники, причем фазовые искажения полезного сигнала должны быть минимальными. Учитывая сказанное, в каналах высших гармоник введены фильт-ры-пробки.

ЛИТЕРАТУРА

1. СССР, Государственные стандарты. Методы механических и технологических испытаний металлов (издание официальное), Стандартгиз, Москва. 1960.

2. Современные методы контроля материалов без разрушения. Под редакцией С. Т. Назарова, Машгиз, Москва, 1961.

3. И. И. К и ф е р. Испытание ферромагнитных материалов. Госэнергоиздат, М.—Л., 1962.