УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ ИЗ ЛИСТОВОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ
DEVICE FOR MEASURING MAGNETIC CHARACTERISTICS OF SAMPLES FROM ELECTROTECHNICAL STEEL PLATES OF ARBITRARY SHAPE

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения петель магнитного гистерезиса и кривой намагничивания образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы на частотах от 1 до 10000 Гц.
Известна установка для измерения амплитуд значений магнитной индукции и напряженности магнитного поля электротехнической стали полос [см. кн. Магнитные свойства электротехнической стали / В.В Дружинин. - М.: Энергия, 1974. - С. 207-211], содержащая источник питания, вольтметр среднего значения, частотомер, катушку для измерения магнитных величин, катушку для компенсации магнитного потока вне образца, аппарат для испытания образцов, составленных из полос.
Недостатком устройства является необходимость проведения подготовительных операций над испытуемым образцом, снижающая скорость проведения измерений, а также невозможность применения на образцах-заготовках для магнитопровода, имеющих сложную форму.
Известно устройство для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали [Патент RU 2434237, 20.11.2011, МПК G01R 33/00 G01R 33/12]. Устройство для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали содержит источник переменного тока, дифференциальный магнитный мост, прикладываемый к испытуемому образцу и представляющий собой сердечник Н-образной формы из пермаллоя, на нейтральное сечение которого нанесена измерительная катушка, а на четыре полюса - одинаковые намагничивающие катушки, соединенные последовательно так, что нижние и верхние катушки соединены между собой согласованно, а пара верхних и пара нижних между собой - встречно, и подключенные к выходу источника переменного тока, состоящего из генератора синусоидального напряжения и усилителя переменного напряжения, первый вход которого подключен к выходу генератора синусоидального напряжения, а второй - к выходу измерительной катушки, последовательно с намагничивающими катушками включен сенсор тока, также устройство содержит запоминающее устройство с задержкой выходного сигнала относительно входного на четверть периода выходного напряжения генератора, первый вход запоминающего устройства подключен к выходу измерительной катушки, а второй - ко второму выходу генератора синусоидального напряжения, регистрирующий блок, имеющий два входа, первый подключен к выходу запоминающего устройства, а второй - к выходу сенсора тока.
Недостатком устройства для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали является то, что оно позволяет измерять магнитные характеристики с высокой точностью только на образцах, совпадающих по размеру с размерами межполюсного пространства сердечника Н-образной формы. Для остальных типоразмеров изделий обеспечивается достаточная точность лишь в области контроля магнитных характеристик в симметричных точках, одинаковых по размерам и форме образцов.
Наиболее близким по совокупности признаков и принципу действия к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали [Патент RU 100833, 27.12.2012, МПК G01R 33/00]. Устройство для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали содержит источник переменного тока, состоящий из генератора синусоидального напряжения и усилителя переменного напряжения, первый вход которого подключен к выходу генератора синусоидального напряжения, а второй - к выходу измерительной катушки, регистрирующий блок, дифференциальный преобразователь магнитной индукции, прикладываемый к испытуемому изделию и представляющий собой сердечник Н-образной формы, на четыре полюса которого нанесены четыре одинаковые намагничивающие катушки, соединенные последовательно так, что нижние и верхние катушки соединены между собой согласованно, а пара верхних и пара нижних между собой - встречно, и подключенные к выходу источника переменного тока, сенсор тока, включенный последовательно с намагничивающими катушками, запоминающее устройство, первый вход которого подключен к выходу измерительной катушки, а второй - ко второму выходу генератора синусоидального напряжения, причем регистрирующий блок имеет два входа, первый подключен к выходу запоминающего устройства, а второй - к выходу сенсора тока. В каждом из четырех полюсов сердечника Н-образной формы выполнены пропилы на всю толщину сердечника, разделяющие полюс на две половины, измерительная катушка является составной и представляет собой две катушки, нанесенные на внутренние половины двух противоположных полюсов, получившиеся после пропилов, соединенные последовательно.
Недостатком устройства для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали является то, что оно позволяет измерять магнитные характеристики с высокой точностью только на образцах, совпадающих по ширине с шириной сердечника Н-образной формы. Для изделий произвольной формы обеспечивается достаточная точность лишь в области контроля магнитных характеристик в симметричных точках одинаковых по размерам и форме образцов.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения петли гистерезиса и основной кривой намагничивания образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы.
Технический результат достигается с помощью устройства для измерения магнитных характеристик образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы, содержащего блок микроконтроллера, первый выход которого соединяется с компьютером передачи данных о результатах измерений, второй выход блока микроконтроллера подключен к входу усилителя переменного напряжения, дифференциальный преобразователь магнитной индукции, прикладываемый к испытуемому образцу и представляющий собой сердечник Ж-образной формы из шихтованной электротехнической стали, на центральные полюса, верхний и нижний, которого нанесены две намагничивающие катушки, имеющие одинаковое число витков и соединенные между собой последовательно и встречно и подключенные к выходу усилителя переменного напряжения, два сенсора напряженности магнитного поля, размещенные на одной оси, совпадающей с центром по толщине сердечника Ж-образной формы, причем первый сенсор напряженности магнитного поля размещен в левом, ближайшем к испытуемому образцу, межполюсном пространстве сердечника Ж-образной формы, а второй сенсор напряженности магнитного поля в правом, ближайшем к испытуемому образцу, межполюсном пространстве сердечника Ж-образной формы на одинаковом с первым сенсором напряженности магнитного поля расстоянии до ближайшего к испытуемому образцу края сердечника Ж-образной формы, при этом выходы двух сенсоров напряженности магнитного поля подключены к первому и второму входам блока микроконтроллера, а их питание осуществляется с помощью блока питания, кроме того, в каждом из центральных полюсов, верхнем и нижнем, сердечника Ж-образной формы выполнены по два пропила на всю толщину каждого из этих полюсов, разделяющие каждый центральный полюс на три равные части, ширина которых совпадает с расстоянием от внутреннего края каждого из крайних полюсов сердечника Ж-образной формы до ближайшего края каждого соответствующего центрального полюса, на центральные полюса, верхний и нижний, сердечника Ж-образной формы нанесены первая и вторая измерительные катушки, имеющие одинаковое число витков, таким образом, что каждая из измерительных катушек охватывает среднюю часть соответствующего центрального полюса сердечника Ж-образной формы, получившуюся после выполнения в нем пропилов, причем выход первой измерительной катушки соединен с третьим входом блока микроконтроллера, а выход второй измерительной катушки соединен с четвертым входом блока микроконтроллера.
Проведенный поиск среди средств того же назначения, что и заявляемое, не выявил тождественных технических решений в отношении всей совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
Анализ уровня техники позволил установить, что присущие предлагаемому изобретению отличительные признаки, такие как применение сердечника Ж-образной формы с двумя пропилами в центральном полюсе, разделяющими центральный полюс на три части, новая конструкция и размещение измерительных катушек и два сенсора напряженности магнитного поля, размещенные вблизи поверхности испытуемого образца на одной оси с центром полюса, блока микроконтроллера, аналого-цифрового преобразователя, при их введении в указанной выше связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения магнитных характеристик образцов из листовой стали произвольной формы указанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства-прототипа, то есть обеспечивает измерение петли гистерезиса и основной кривой намагничивания образцов из листовой стали произвольной формы. Это позволяет сделать положительный вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения магнитных характеристик образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы. На фиг. 2 представлена блок-схема блока микроконтроллера устройства для измерения магнитных характеристик образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы.
Устройство для измерения магнитных характеристик образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы содержит блок микроконтроллера 1, первый выход которого соединяется с компьютером передачи данных о результатах измерений (на фиг. 1 не представлен), второй выход блока микроконтроллера 1 подключен к входу усилителя переменного напряжения 2, дифференциальный преобразователь магнитной индукции (на фиг. 1 не обозначен), прикладываемый к испытуемому образцу 3 и представляющий собой сердечник Ж-образной формы 4 (например, из шихтованной электротехнической стали), на центральные полюса, верхний и нижний, которого нанесены две намагничивающие катушки 5 и 6 соответственно, имеющие одинаковое число витков и соединенные между собой последовательно и встречно, и подключенные к выходу усилителя переменного напряжения 2 два сенсора напряженности магнитного поля 7 и 8, размещенные на одной оси, совпадающей с центром по толщине сердечника Ж-образной формы 4, причем первый сенсор напряженности магнитного поля 7 размещен в левом, ближайшем к испытуемому образцу 3, межполюсном пространстве сердечника Ж-образной формы 4, а второй сенсор напряженности магнитного поля 8 в правом, ближайшем к испытуемому образцу 3, межполюсном пространстве сердечника Ж-образной формы 4 на одинаковом с первым сенсором напряженности магнитного поля 7 расстоянии до ближайшего к испытуемому образцу 3 края сердечника Ж-образной формы 4, при этом выходы двух сенсоров напряженности магнитного поля 7, 8 подключены к первому и второму входам блока микроконтроллера 1, а их питание осуществляется с помощью блока питания 9, кроме того, в каждом из центральных полюсов, верхнем и нижнем, сердечника Ж-образной формы 4 выполнены по два пропила на всю толщину каждого из этих полюсов, разделяющие каждый центральный полюс на три равные части, ширина которых совпадает с расстоянием от внутреннего края каждого из крайних полюсов сердечника Ж-образной формы 4 до ближайшего края каждого соответствующего центрального полюса, на центральные полюса, верхний и нижний, сердечника Ж-образной формы 4 нанесены первая 10 и вторая 11 измерительные катушки, имеющие одинаковое число витков, таким образом, что каждая из измерительных катушек 10, 11 охватывает среднюю часть соответствующего центрального полюса сердечника Ж-образной формы 4, получившуюся после выполнения в нем пропилов, причем выход первой измерительной катушки 10 соединен с третьим входом блока микроконтроллера 1, а выход второй - измерительной катушки 11 соединен с четвертым входом блока микроконтроллера 1.
Схема блока микроконтроллера 1 показана на фиг. 2 и содержит микропроцессор 12, первый выход которого соответствует первому выходу блока микроконтроллера 1, подключенному к компьютеру, второй выход которого подключен к входу оперативного запоминающего устройства 13, выход которого подключен к первому входу микропроцессора 12, третий выход микропроцессора 12 подключен к входу блока цифроаналогового преобразователя 14, выход которого соответствует второму выходу блока микроконтроллера 1 и подключен к входу усилителя переменного напряжения 2, второй вход микропроцессора 12 подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 15, вход которого подключен к выходу четырехканального коммутатора 16, первый вход которого соответствует первому входу блока микроконтроллера 1 и подключен к выходу первого сенсора напряженности магнитного поля 7, второй вход четырехканального коммутатора 16 соответствует второму входу блока микроконтроллера 1 и подключен к выходу второго сенсора напряженности магнитного поля 8, третий вход четырехканального коммутатора 16 соответствует третьему входу блока микроконтроллера 1 и подключен к выходу первой измерительной катушки 10, четвертый вход четырехканального коммутатора 16 соответствует четвертому входу блока микроконтроллера 1 и подключен к выходу второй измерительной катушки 11, четвертый выход микропроцессора 12 подключен к пятому, управляющему, входу четырехканального коммутатора 16.
Устройство работает следующим образом.
Включается блок питания 9. К трем концам (верхним или нижним) трех полюсов сердечника Ж-образной формы 4 дифференциального преобразователя магнитной индукции прижимается испытуемый образец 3. Начинается цикл измерения значений напряженности магнитного поля и магнитной индукции в испытуемом образце 3. Каждый шаг цикла работы соответствует измерению одной частной петли магнитного гистерезиса испытуемого образца 3. На первом шаге цикла работы микропроцессор 12 блока микроконтроллера 1 формирует на втором выходе кодовую последовательность, соответствующую первому, минимальному, уровню амплитуды и равную по продолжительности трем периодам перемагничивания. Данная кодовая последовательность с помощью цифроаналогового преобразователя 14 блока микроконтроллера 1 преобразуется в сигнал напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 14 блока микроконтроллера 1, соответствующего второму выходу блока микроконтроллера 1. Сигнал напряжения с второго выхода блока микроконтроллера 1 подается на вход усилителя переменного напряжения 2. Сигнал напряжения с выхода усилителя переменного напряжения 2 подается на вход намагничивающих катушек 5 и 6. В намагничивающих катушках 5 и 6 формируется ток, возбуждающий магнитное поле в сердечнике Ж-образной формы 4 дифференциального преобразователя магнитной индукции и в испытуемом образце 3.
Использование сердечника Ж-образной формы 4 в совокупности с размещением первой 10 и второй 11 измерительной катушки в двух пропилах каждого из центральных полюсов, верхнем и нижнем, сердечника Ж-образной формы 4, выполненных на всю толщину каждого из этих полюсов, разделяющих каждый центральный полюс на три равные части, ширина которых совпадает с расстоянием от внутреннего края каждого из крайних полюсов сердечника Ж-образной формы 4 до ближайшего края каждого соответствующего центрального полюса, а также использованием первого 7 и второго 8 сенсоров напряженности магнитного поля позволяет создать и выделить для измерений область равномерного намагничивания в образцах произвольной формы, что расширяет функциональные возможности устройства для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали - позволяет обеспечивать возможность измерения петли гистерезиса и основной кривой намагничивания образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы.
Сигнал с первого 7 и второго 8 сенсоров напряженности магнитного поля поступает на соответственно первый и второй входы блока микроконтроллера 1. На третий вход блока микроконтроллера 1 поступает сигнал с выхода измерительной катушки 10. На четвертый вход блока микроконтроллера 1 поступает сигнал с выхода измерительной катушки 11. Данные значения поступают на соответственно первый, второй, третий и четвертый входы четырехканального коммутатора 16 блока микроконтроллера 1 и последовательно подаются на вход блока аналого-цифрового преобразователя 15 блока микроконтроллера 1. С помощью блока аналого-цифрового преобразователя 15 блока микроконтроллера 1 сигналы с первого 7 и второго 8 сенсоров напряженности магнитного поля и с выходов измерительной катушки 10 и измерительной катушки 11 преобразуются в кодовые последовательности, затем последовательно подаются на третий вход микропроцессора 12 блока микроконтроллера 1 и записываются в оперативное запоминающее устройство 13 блока микроконтроллера 1. После записи в запоминающее устройство 13 блока микроконтроллера 1 кодовых значений, соответствующих всем значениям трех периодов синусоидального напряжения, поступившим со второго выхода блока микроконтроллера 1 на усилитель переменного напряжения 2, первый шаг цикла измерения заканчивается. На втором шаге цикла измерений происходит повышение амплитуды синусоидального напряжения, после чего первый шаг цикла измерения и записи значений повторяется. Повторение данного цикла осуществляется до достижения максимальной амплитуды синусоидального напряжения. После этого микропроцессор 12 блока микроконтроллера 1 считывает поочередно для каждого шага цикла измерений значения кодов из оперативного запоминающего устройства 13 блока микроконтроллера 1, соответствующие значениям показаний сенсоров напряженности магнитного поля 7 и 8, и рассчитывает значение напряженности магнитного поля в испытуемой области испытуемого образца 3 по формуле:
Н=(Н1+Н2)/2, где H1 - напряженность магнитного поля, определенная с помощью первого сенсора напряженности магнитного поля 7, Н2 - напряженность магнитного поля, определенная с помощью второго сенсора напряженности магнитного поля 8; и записывает полученные значения Н, соответствующие значениям напряженности на одном частном цикле перемагничивания, в соответствующий блок памяти оперативного запоминающего устройства 13 блока микроконтроллера 1.
На следующем этапе микропроцессор 12 блока микроконтроллера 1 считывает поочередно все значения кодов из оперативного запоминающего устройства 13 блока микроконтроллера 1, соответствующих значениям напряжений с выходов измерительных катушек 10 и 11, и рассчитывает значение магнитной индукции в испытуемой области испытуемого образца 3 по формуле:
B=(∫U1dt-∫U2dt)/(w*S), где ∫U1dt - интеграл напряжения на выходе первой измерительной катушки 10 по времени, ∫U2dt - интеграл напряжения на выходе второй измерительной катушки 11 по времени, w - число витков каждой измерительной катушки (10 и 11), S - площадь поперечного сечения испытуемой области испытуемого образца 3, и записывает полученные значения В, соответствующие значениям индукции магнитного поля на одном частном цикле перемагничивания в соответствующий блок памяти оперативного запоминающего устройства 13 блока микроконтроллера 1.
После расчетов всех значений напряженности магнитного поля и магнитной индукции для каждого частного цикла перемагничивания образца эти значения поблочно передаются в компьютер по первому выходу блока микроконтроллера 1.
Работа устройства закончена.
Блоки, входящие в состав устройства для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали, могут быть выполнены, например:
- блок микроконтроллера - микроконтроллер K1986BE92QI;
- усилитель переменного напряжения 2 - любой дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления не менее 20;
- сердечник Ж-образной формы 4 дифференциального преобразователя магнитной индукции - шихтованный сердечник, составленный из двух Ш-образных сердечников из электротехнической стали, пропилы в полюсах выполняются глубиной не более 4 мм и шириной не более 2.5% от ширины полюса;
- намагничивающие катушки 6-9 наносятся медным проводом диаметром 0,8-1,5 мм, число витков от 150 до 200;
- сенсоры напряженности магнитного поля 7, 8 - датчики Холла;
- блок питания 9 - стабилизированный источник питания постоянного тока 3 мА;
- измерительные катушки 10, 11 наносятся медным проводом диаметром не более 0,1 мм, числом витков от 20 до 30.
Экспериментальные исследования макета заявляемого устройства для измерения магнитных характеристик полос из листовой стали на образцах с известными магнитными характеристиками показали, что заявляемое устройство обеспечивает погрешность измерения не более 4%.