УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИСТОВОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
SHORT-TIME TEST DEVICE FOR ITEMS FROM ELECTROTECHNICAL STEEL PLATES

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения динамической петли гистерезиса и основной кривой намагничивания изделий из листовой электротехнической стали (ИЛЭТС) 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 контроля стальных образцов [Заявка RU №94022668/25], содержащее блок питания, разомкнутый П-образный магнитопровод с расположенными на его сердечниках намагничивающей и измерительной катушками, причем блок питания соединен с намагничивающей катушкой; блок измерения, содержащий микроамперметр, входы которого соединены с блоком питания и измерительной катушкой, причем блок измерения выполнен по компенсационной схеме. Контролируемый стальной образец замыкает воздушный зазор между сердечниками магнитопровода. В устройстве применяются специальные выступы сердечников V-образной формы с углом 90° и прорезью симметричной двухступенчатой формы с глубиной, равной длине стороны угла, что позволяет проводить контроль стальных образцов, имеющих различную геометрическую форму и размеры.
Недостатком устройства для контроля стальных образцов является повышенная погрешность при измерении в полях, близких к насыщению сердечника, и при насыщении испытуемого образца, т.к. доля потока рассеяния, обуславливающего погрешность, увеличивается.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения магнитной восприимчивости на дифференциальном магнитном мосте [см. кн. Приборы для измерения магнитных величин / Е.Н.Чечурина. - М.: Энергия, 1969. - С.70-73]. Устройство для измерения магнитной восприимчивости на дифференциальном магнитном мосте содержит источник переменного тока, первичный преобразователь магнитного потока (дифференциальный магнитный мост), фазочувствительный детектор и регистрирующий блок. Дифференциальный магнитный мост представляет собой сердечник из пермаллоя Н-образной формы. На полюсах сердечника имеются четыре одинаковые намагничивающие катушки, питающиеся от источника переменного тока. Намагничивающие катушки соединены последовательно так, что нижние и верхние катушки соединены между собой согласованно, а пара верхних и пара нижних между собой - встречно. Измерительная катушка нанесена на нейтральное сечение сердечника Н-образной формы, ее выход подключен на вход фазочувствительного детектора, выход которого подключен к входу регистрирующего блока. Испытуемый образец прикладывается к нижним или верхним концам сердечника Н-образной формы.
Недостатком устройства для измерения магнитной восприимчивости на дифференциальном магнитном мосте является то, что оно позволяет измерять только магнитную восприимчивость и не обеспечивает возможность определения индукции и напряженности магнитного поля в испытуемом образце, то есть не позволяет определять параметры динамической петли гистерезиса и основной кривой намагничивания.
Задачей изобретения является разработка устройства для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства-прототипа путем обеспечения возможности измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в испытуемом образце, а также повышение скорости испытания и точности измерений.
Технический результат достигается с помощью устройства для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали, содержащего 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.
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 сенсор тока, запоминающее устройство с задержкой выходного сигнала относительно входного на четверть периода выходного напряжения генератора, регистрирующий блок, имеющий два входа, при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения характеристик ИЛЭТС выше указанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства-прототипа, то есть обеспечивает измерение магнитной индукции и напряженности магнитного поля в испытуемом образце. Это позволяет сделать положительный вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для экспресс-испытания ИЛЭТС. На фиг.2 представлена схема генератора синусоидального напряжения, на фиг.3 - схема запоминающего устройства с задержкой выходного сигнала относительно входного на четверть периода выходного напряжения генератора.
Устройство для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали содержит источник переменного тока (не обозначен), состоящий из генератора синусоидального напряжения 1 и усилителя переменного напряжения 2, первый вход которого подключен к выходу генератора синусоидального напряжения 1, дифференциальный магнитный мост 3, прикладываемый к испытуемому образцу 4 и представляющий собой сердечник Н-образной формы из пермаллоя, на нейтральное сечение которого нанесена измерительная катушка 5, а на четыре полюса - одинаковые намагничивающие катушки 6-9, соединенные последовательно так, что верхние 6, 7 и нижние 8,9 намагничивающие катушки соединены между собой согласованно, а пара верхних 6, 7 и пара нижних 8,9 между собой - встречно, и подключенные к выходу усилителя переменного напряжения 2, последовательно с намагничивающими катушками включен сенсор тока 10, так же устройство содержит запоминающее устройство 11, первый вход которого подключен к выходу измерительной катушки 5, а второй - ко второму выходу генератора синусоидального напряжения 1, регистрирующий блок 12, имеющий два входа, первый подключен к выходу запоминающего устройства 11, а второй - к выходу сенсора тока 10, кроме того, второй вход усилителя переменного напряжения 2 подключен к выходу измерительной катушки 5.
Схема генератора синусоидального напряжения 1 показана на фиг.2 и содержит генератор импульсов 13 с запуском и остановкой по внешним сигналам, выход которого подключен к входу N-разрядного счетчика импульсов 14 и к второму входу запоминающего устройства 11, выход N-разрядного счетчика импульсов 14 подключен к N адресным входам постоянного запоминающего устройства 15, a (N-2) младших разряда с выхода N-разрядного счетчика импульсов 14 подключены на второй вход запоминающего устройства 11, выход постоянного запоминающего устройства 15 подключен к цифроаналоговому преобразователю 16, выход цифроаналогового преобразователя 16 подключен на первый вход усилителя переменного напряжения 2.
Схема запоминающего устройства 11 представлена на фиг.3 и содержит оперативное запоминающее устройство 17 с возможностью записи/чтения, формирователь импульса разрешения чтения 18, вход которого подключен к выходу генератора импульсов 13, а выход - к входу разрешения чтения оперативного запоминающего устройства 17, формирователь импульса разрешения записи 19, вход которого подключен к выходу генератора импульсов 13, а выход - к входу разрешения записи оперативного запоминающего устройства 17, аналого-цифровой преобразователь 20, вход которого подключен к выходу измерительной катушки 5, а выход - к информационному входу оперативного запоминающего устройства 17, и цифроаналоговый преобразователь 21, вход которого подключен к информационному выходу оперативного запоминающего устройства 17, а выход - к первому входу регистрирующего блока 12, адресные входы оперативного запоминающего устройства 17 подключены к (N-2) младшим выходным разрядам N-разрядного счетчика импульсов 14.
Устройство работает следующим образом.
верх
К верхней или нижней стороне дифференциального магнитного моста 3 прикладывается испытуемый образец 4. Проведение подготовительных операций над испытуемым образцом, таких как нанесение измерительных или намагничивающих катушек, не требуется, что повышает скорость измерений. В начальный момент времени внешним сигналом запускается генератор импульсов 13. Он вырабатывает импульсы постоянной частоты, которые поступают на счетный вход N-разрядного счетчика импульсов 14. В ячейки постоянного запоминающего устройства 15 предварительно записаны коды, соответствующие одному периоду сигнала синусоидальной формы. Цифровой код на выходе N-разрядного счетчика импульсов 14 задает адрес ячейки памяти постоянного запоминающего устройства 15, в которой записан код, соответствующий необходимому значению напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1. С выхода постоянного запоминающего устройства 15 код поступает на входы цифроаналогового преобразователя 16. Напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 16 (выхода генератора синусоидального напряжения 1) поступает на первый вход усилителя переменного напряжения 2. Намагничивающие катушки 6-9, нанесенные на дифференциальный магнитный мост 3, соединены последовательно и питаются напряжением с выхода усилителя переменного напряжения 2. Ток, протекающий в намагничивающих катушках 6-9, создает магнитные потоки в верхней и нижней части дифференциального магнитного моста 3, направленные противоположно друг другу в нейтральном сечении сердечника дифференциального магнитного моста 3. Магнитный поток Ф, созданный в верхней части сердечника дифференциального магнитного моста 3, с приложенным к ней образцом определяется выражением:
верх
о
рас
Ф=Ф+Ф,
о
рас
где Ф - магнитный поток, проходящий через испытуемый образец 4, Ф - магнитный поток рассеивания, проходящий в верхней части сердечника дифференциального магнитного моста 3, вне образца 4, через воздух.
низ
Магнитный поток Ф, созданный в нижней части сердечника дифференциального магнитного моста 3, без образца определяется выражением:
низ
рас
Ф=Ф,
рас
где Ф - магнитный поток рассеивания, проходящий в верхней части сердечника дифференциального магнитного моста 3, вне образца 4, через воздух, равный потоку рассеивания в верхней части сердечника дифференциального магнитного моста 3.
верх
низ
Различие значений магнитных потоков в верхней Ф и нижней Ф части сердечника дифференциального магнитного моста 3 обусловлено только наличием испытуемого образца 4. Разница магнитных потоков в нейтральном сечении сердечника дифференциального магнитного моста 3 равна магнитному потоку в образце 4. Измерение магнитного потока через нейтральное сечение сердечника дифференциального магнитного моста 3 исключает влияние магнитных потоков рассеяния на результат измерения, что повышает точность измерений.
Магнитный поток в нейтральном сечении сердечника дифференциального магнитного моста 3 индуцирует ЭДС в измерительной катушке 5, пропорциональную скорости изменения магнитного потока в нейтральном сечении сердечника дифференциального магнитного моста 3, скорости изменения магнитного потока и магнитной индукции в образце 4:
,
н
o
где e - ЭДС, индуцируемая в измерительной катушке 5, Ф - магнитный поток в нейтральном сечении сердечника дифференциального магнитного моста 3, k - число витков измерительной катушки 5, S - площадь поперечного сечения испытуемого образца 4, B - магнитная индукция в испытуемом образце 4.
Сигнал с выхода измерительной катушки 5 поступает на второй вход усилителя переменного напряжения 2. Выходной сигнал усилителя переменного напряжения 2, пропорциональный разности сигнала генератора синусоидального напряжения 1 и ЭДС, снятой с измерительной катушки 5, обеспечивает синусоидальное изменение магнитной индукции в образце 4:
,
Подставим (2) в (1):
,
где f - частота выходного синусоидального напряжения генератора 1, T - период изменения синусоидального напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1, .
С выхода измерительной катушки 5 ЭДС поступает на первый вход запоминающего устройства 11, обеспечивающего его задержку на четверть периода напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1. Для определения необходимой величины задержки на второй вход запоминающего устройства 11 поступает управляющий сигнал со второго выхода генератора синусоидального напряжения 1, это сигналы с выхода генератора импульсов 13 и (N-2) младших разрядов N-разрядного счетчика импульсов 14. При этом на вход формирователя импульса разрешения чтения 18 и формирователя импульса разрешения записи 19 поступает сигнал с генератора импульсов 13. Формирователь импульса разрешения чтения 18 представляет собой ждущий мультивибратор, срабатывающий по фронту входного импульса. Формирователь импульса разрешения записи 19 представляет собой ждущий мультивибратор, срабатывающий по спаду входного импульса. Оперативное запоминающее устройство 17 имеет (N-2) адресных входа, и при использовании одного N-разрядного счетчика 14 как формирователя рабочего адреса, для постоянного запоминающего устройства 15 и для оперативного запоминающего устройства 17 информационная емкость оперативного запоминающего устройства 17 должна быть в четыре раза меньше информационной емкости постоянного запоминающего устройства 15 и, соответственно, хранить информацию о четверти периода напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1 и, следовательно, напряжения на выходе измерительной катушки 5. Первым на вход оперативного запоминающего устройства 17 поступает импульс с выхода формирователя импульса разрешения чтения 18 и происходит выдача информации о содержании блока оперативного запоминающего устройства 17 по адресу, определяемому (N-2) младшими битами N-разрядного счетчика импульсов 14, на цифроаналоговый преобразователь 21. С выхода цифроаналогового преобразователя 21 напряжение поступает на первый вход регистрирующего блока 12. Затем без изменения сигнала на выходе N-разрядного счетчика импульсов 14 вырабатывается импульс на выходе формирователя импульса разрешения записи 19, разрешающий запись в блок запоминающего устройства 17. Происходит запись сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя 20 в блок оперативного запоминающего устройства 17 по адресу, определяемому (N-2) младшими битами сигнала с выхода N-разрядного счетчика импульсов 14. Тогда, в первый отрезок времени, равный четверти периода напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1, на выходе блока оперативного запоминающего устройства 17 будет неопределенный сигнал, хранимый в оперативном запоминающем устройстве 17, до записи в него какой-либо информации, а в последующее время на его выходе будет сигнал, сдвинутый относительно сигнала с выхода измерительной катушки 5 на четверть периода напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1 и, исходя из формул (2) и (3), пропорциональный магнитной индукции в испытуемом образце 4.
Применение запоминающего устройства 11 со сдвигом на четверть периода, в совокупности с обеспечением синусоидальной индукции в испытуемом образце 4, избавляет от необходимости подключения на выход измерительной катушки 5 интегрирующего устройства для преобразования сигнала ЭДС в сигнал индукции, что исключает ошибку интегрирования и повышает точность измерения.
Выходной сигнал с запоминающего устройства 11 со сдвигом на четверть периода, пропорциональный магнитной индукции в испытуемом образце 4, поступает на первый вход регистрирующего блока 12. С выхода сенсора тока 10, включенного последовательно в цепь намагничивающих катушек 6-9, сигнал тока, пропорциональный напряженности магнитного поля в образце, поступает на второй вход регистрирующего блока 12. Устройство работает циклически.
Блоки, входящие в состав устройства для испытания изделий из ферромагнитных материалов, могут быть выполнены, например:
- усилитель переменного напряжения 2 - любой дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления не менее 20;
- сердечник дифференциального магнитного моста 3 - сердечник Н-образной формы из пермаллоя;
- измерительная катушка 5 наносится медным проводом диаметром не более 0,1 мм, число витков от 50 до 200;
- намагничивающие катушки 6-9 наносятся медным проводом диаметром 1-1,5 мм, число витков от 150 до 200;
- сенсор тока 10 - измерительный шунт;
- регистрирующий блок 12 - любой двухкоординатный самописец.
Блоки, входящие в состав генератора синусоидального напряжения 1, могут быть выполнены, например:
- генератор импульсов 13 на микросхеме КА7500;
- счетчик импульсов 14 - составной на микросхеме К155ИЕ7;
- постоянное запоминающее устройство 15 на микросхеме LH2164-15;
- цифроаналоговый преобразователь 16 на микросхеме AD569AD.
Блоки, входящие в состав запоминающего устройства 11 с задержкой выходного сигнала относительно входного на четверть периода выходного напряжения генератора синусоидального напряжения 1, могут быть выполнены, например:
- оперативное запоминающее устройство с возможностью записи/чтения 17 на микросхеме МСМ 100484-20;
- аналого-цифровой преобразователь 20 на микросхеме AD7552KN;
- формирователи импульсов разрешения чтения 18 и разрешения записи 19 на микросхемах К155АГ1;
- цифроаналоговый преобразователь 21 на микросхеме AD569AD. Экспериментальные исследования макета заявляемого устройства для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали на образцах с известными магнитными характеристиками показали, что заявляемое устройство обеспечивает погрешность измерения не более 5%.