УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ГИСТЕРЕЗИСНЫХ ПЕТЕЛЬ
HYSTERESIS LOOP RECORDER

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для быстрой регистрации статических петель гистерезиса ферромагнитных материалов (испытуемых изделий).
Известны устройства получения на экране осциллографа гистерезисных петель, работающие в непрерывном режиме перемагничивания, состоящие из генератора, усилителя намагничивающей обмотки и резистора, измерительной обмотки, интегратора и осциллографа (например, US 4044302, G01R 33/12, 1977). Однако перемагничивание одиночными радиоимпульсами, имеющими широкий спектр распределения мощности, приводит к значительной погрешности измерения петли гистерезиса в случае наличия сильно выраженной частотной зависимости свойств ферромагнетиков.
Известно устройство для измерения петли гистерезиса ферритов и других магнитных материалов, содержащее генератор гармонических колебаний, усилитель, перемагничивающую обмотку и резистор, последовательно соединенные измерительную обмотку, интегратор и осциллограф. Для повышения точности измерения в него введены генератор прямоугольных импульсов, дифференцирующая цепь, генератор тактовых импульсов, четырехразрядный двоичный счетчик, дешифратор, блок интеграторов, сумматор и аналоговый перемножитель напряжений (SU 911393, G01R 33/14, 1982). Данное устройство не обеспечивает необходимой точности измерений.
Указанные известные устройства регистрируют не статическую, а динамическую петлю гистерезиса с учетом влияния вихревых токов при приближенном рассмотрения явления магнитного гистерезиса.
Известно устройство для контроля динамики сложного намагничивания, содержащее намагничивающую и измерительную обмотки, интеграторы, суммирующие усилители, сдвоенный ключ, блоки выборки и запоминания и электронный осциллограф (SU 901960, G01R 33/14, 1982). Устройство обеспечивает стабилизацию сдвига по фазе между намагничивающими полями, необходимую для получения неподвижного изображения на экране электронного осциллографа. Применение автоматического смещения и усиления в сочетании с высокой степенью синхронизации изображения частных циклов обеспечивает повышение точности и производительности контроля. Однако это устройство не позволяет быстро получить появление петель на экране осциллографа.
Известно устройство, предназначенное для способа определения статических магнитных характеристик ферромагнитных образцов, содержащее управляющую ЭВМ, намагничивающую и измерительную обмотки, эталонный резистор, усилитель, формирователь импульсов (SU 1638685, G01R 33/14, 1991). Изобретение позволяет путем более точного измерения магнитного потока достичь повышение точности определения статических магнитных характеристик ферромагнитных образцов. Однако это устройство не позволяет быстро получить появление петель на экране осциллографа.
Известны устройства для сложных интегральных методов измерения общих потерь в магнитных материалах, с последующим их разделением на потери на гистерезис и потери на вихревые токи через их линейную и квадратичную зависимость от частоты перемагничивания при одинаковой амплитуде магнитной индукции. (Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. - М.: Энергия, 1974, с.79). Интегральные измерения очень медленные, они не могут быть отнесены к быстрым способам получения петель на экране осциллографа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для осциллографирования динамики сложного перемагничивания ферромагнетика, содержащее намагничивающую и измерительную обмотки, образцовый резистор, генератор сигнала высокой частоты сложной формы с двумя выходами, делитель частоты, суммирующий усилитель, интегратор, двухкоординатный осциллограф, формирователь импульсов, фазовращатель, избирательный фильтр и блок коммутации. К выходу суммирующего усилителя включены последовательно соединенные намагничивающая обмотка и образцовый резистор, первый выход генератора высокой частоты через фазовращатель подключен к первому входу суммирующего усилителя, второй выход генератора через формирователь импульсов, делитель и избирательный фильтр подключен ко второму входу суммирующего усилителя. Измерительная обмотка подключена к входу интегратора, выход которого подключен к входу канала осциллографирования одной координаты (индукции в изделии), а второй вход осциллографа подключен к образцовому резистору (SU 824088, МПК G01R 33/14, 1981). Устройство обеспечивает надежность испытаний.
Недостатком изобретения является невозможность получения на экране осциллографа статической петли гистерезиса.
Технической задачей предложения является быстрое получение на экране осциллографа или в памяти регистратора (регистраторы сейчас вытесняют осциллографы) статической петли гистерезиса испытуемого изделия.
Указанная задача решается тем, что устройство регистрации гистерезисных петель, содержащее намагничивающую обмотку с последовательно соединенным образцовым резистором, генератор сигнала высокой частоты сложной формы с двумя выходами, один из которых подключен к первому входу суммирующего усилителя, второй через делитель частоты подключен ко второму входу суммирующего усилителя, и измерительную обмотку, соединенную через интегратор с каналом регистрации одной координаты двухкоординатного регистратора (осциллографа) фазовых траекторий, согласно изобретению снабжено вторым усилителем алгебраического суммирования с регулируемыми коэффициентами усиления по каждому входу с учетом знака, выход которого подключен к входу канала регистрации второй координаты регистратора, при этом первый вход второго усилителя подключен к образцовому резистору, а второй вход этого усилителя подключен к измерительной обмотке.
При уточненном рассмотрении процессов в ферромагнетике составляющая потерь на вихревые токи примерно пропорциональна ЭДС измерительной обмотки. С образцового резистора снимается сигнал, пропорциональный сумме тока статического намагничивания и вихревых токов. При подборе коэффициентов усиления второго усилителя можно почти скомпенсировать составляющую вихревых токов и зарегистрировать петлю гистерезиса, близкую к статической. Форма напряжения на намагничивающей обмотке сформирована такой формы, что удается достаточно просто подобрать упомянутые коэффициенты.
1
2
2
1
Сущность изобретения подтверждается чертежами и диаграммами сигналов, где на фиг.1 дана общая схема устройства; на фиг.2 приведен пример временных (сигнал от времени) диаграмм сигналов напряжения на обмотке намагничивания е+е, на выходе генератора высокой частоты е и на выходе делителя е; на фиг.3 даны примеры фазовых (сигнал от сигнала) диаграмм циклов перемагничивания (напряженность от индукции), снятых в схеме фиг.1: а) при недокомпенсации вихревых токов, б) при компенсации вихревых токов, в) при перекомпенсации вихревых токов.
в
На фиг.3 показаны наружные циклы h - диаграммы динамических циклов перемагничивания с вихревыми токами (без их компенсации), внутренние h - диаграммы квазистатических циклов при оговоренных разных степенях компенсации вихревых токов.
2
Устройство регистрации гистерезисных петель (фиг.1) содержит испытуемое изделие 1 с первичной намагничивающей 2 и вторичной измерительной 3 обмотками на нем, образцовый резистор 4, генератор сигнала е высокой частоты 5 сложной формы с двумя выходами, делитель частоты 6, суммирующий усилитель 7, интегратор 8, двухкоординатный регистратор (осциллограф) 9 и усилитель алгебраического суммирования 10 с регулируемыми коэффициентами усиления k по каждому входу с учетом знака.
1
2
2
3
1
в
К выходу е+e суммирующего усилителя 7 включены последовательно соединенные намагничивающая обмотка 2 и образцовый резистор 4, первый выход е генератора высокой частоты 5 подключен к первому входу суммирующего усилителя 7, второй выход генератора е подключен ко второму входу суммирующего усилителя через делитель частоты 6, на выходе делителя формируется напряжение е, измерительная обмотка 3 подключена к входу интегратора 8, выход которого подключен к входу канала регистрации одной координаты (индукции b в изделии) регистратора 9. Выход введенного в схему второго усилителя 10 подключен к входу канала регистрации второй координаты (напряженности h в изделии) регистратора 9, первый вход этого усилителя подключен к образцовому резистору 4, второй вход этого усилителя подключен к измерительной обмотке 3. При этом допустимо подключение второго входа этого усилителя 10 к дополнительной (не показанной) измерительной обмотке 3. На дополнительный вход регистрации регистратора 9 координаты с вихревыми токами h можно дополнительно подать сигнал с образцового резистора, что на фиг.1 показано штриховой линией.
Устройство работает следующим образом.
m
2
При перемагничивании замкнутого испытуемого изделия с известными значениями сечения S и длины магнитного пути l на вторичной измерительной обмотке 3 с числом витков W наводится ЭДС, пропорциональная производной индукции в изделии
Поэтому на выходе интегратора 8 получается сигнал, пропорциональный индукции b в изделии 1. Конкретный масштаб Тл/см на экране регистратора 9 устанавливается числом витков измерительной обмотки 3, регулировкой постоянной времени интегратора 8 и коэффициента усиления по входу b регистратора 9. Возможность подрегулировки позволяет перейти к относительным единицам, в которых уравнение (1) запишется е=db/dt.
в
m
1
1
1
1
в
1
1
в
1
2
В первом приближении описания физических явлений в изделии 1 используют закон баланса ампер-витков и "вихревой" напряженности h·l=i·W через ток i и число W первичной намагничивающей обмотки. Здесь напряженность названа "вихревой" потому, что вихревые токи пока не учитываются и как бы входят в ее значение, что пояснено ниже (2). В относительных единицах это запишется h=i. В схеме фиг.1 с резистора 4 снимается сигнал напряжения, пропорциональный току i. Наружные замкнутые диаграммы h=F(b) на фиг.3 на экране регистратора 9 иллюстрируют получаемые при этом динамические петли гистерезиса с вихревыми токами. Именно такие динамические петли получаются на экранах осциллографов во всех аналогах этого изобретения, но в описаниях они не столь "бородаты" потому, что используют напряжение е+е на намагничивающей обмотке 2 без скачков, чаще синусоидальных форм.
Во втором приближении описания физических явлений в ферромагнитном изделии 1 вихревые токи получаются пропорциональными ЭДС измерительно обмотки 3. Тогда в относительных единицах уточненное значение напряженности h соответствует формуле
в
в
Влияние вихревых токов должно быть точно скомпенсировано подбором величины коэффициента К. В схеме фиг.1 эту операцию (2) выполняет усилитель алгебраического суммирования 10. При использовании также второго входа h регистратора, показанного штриховой линией, на экране регистратора получатся динамическая петля с вихревыми токами h и квазистатическая петля h (фиг.3).
1
2
в
При питании намагничивающей обмотки 2 сигналом е+е сложной формы, со скачками, как, например, показано на фиг.2, на экране регистратора 9 получается негладкая, "бородатая" петля h при недокомпенсации (фиг.3,а) или перекомпенсации (фиг.3,в). Меняя коэффициенты усилителя 10, можно добиться полной компенсации, когда петля станет гладкой (фиг.3,б). Одновременное выведение на экран регистратора петли без компенсации h помогает настройке.
Указанный эффект может быть получен и при других сложных формах сигнала
1
2
е+e на обмотке намагничивания 2, но обязательно при наличии крутых участков в них.
1
Таким образом предложение позволяет просто и быстро получать на экране и в памяти регистратора различные статические петли перемагничивания магнитного изделия 1. По крайней мере, это проверено для электротехнических сталей при промышленной частоте (50 Гц) сигнала перемагничивания по циклу е.