ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВЯЗКОСТИ ФЕРРОМАГНЕТИКА
DEVICE FOR MEASURING MAGNETIC VISCOSITY OF FERROMAGNETIC MATERIALS

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля. Эти характеристики являются важными для построения энергетических устройств.
Одним из интересных свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔJ в зависимости от времени t описывается формулой
0
∞
-9
где J и J - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности H магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации. Значение τ зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10 секунды до нескольких десятков часов в зависимости от технологии изготовления ферроматериалов и их структуры.
Различают два вида магнитной вязкости: диффузионный (рихтеровский) и термофлуктуационный (иордановский). В первом из них магнитная вязкость определяется диффузией примесных атомов или дефектов кристаллической структуры. Объяснение роли примесей было дано J.Snock, а более строгая теория построена L.Neel и базируется на предположении о преимущественной диффузии примесных атомов в те межатомные промежутки кристалла, которые определенным образом ориентированы относительно направления спонтанной намагниченности. Это создает локальную наведенную анизотропию, приводящую к стабилизации доменной структуры. Поэтому после изменения магнитного поля новая доменная структура устанавливается не сразу, а после диффузного перераспределения примеси, что и является причиной магнитной вязкости.
Второй вид магнитной вязкости более универсален и наблюдается практически во всех ферромагнетиках, особенно в области магнитных полей, сравнимых с коэрцитивной силой. Неелем был предложен термофлуктуационный механизм для объяснения этого вида магнитной вязкости. Тепловые флуктуации способствуют преодолению доменными стенками энергетических барьеров в магнитных полях, меньших критического поля. В высококоэрцитивных сплавах, состоящих из однодоменных областей, наблюдается особенно большая магнитная вязкость, так как в этом случае термические флуктуации сообщают дополнительную энергию для необратимого вращения спонтанной намагниченности тех частиц, потенциальная энергия которых во внешнем магнитном поле недостаточна для их перемагничивания.
Кроме этих основных механизмов магнитной вязкости существуют и другие. Например, в некоторых ферритах вклад магнитной вязкости дает перераспределение электронной плотности (диффузия электронов между ионами разной валентности). С магнитной вязкостью тесно связаны такие явления в ферромагнетиках, как потери на перемагничивание, временной спад относительной магнитной проницаемости µ и ее частотная зависимость [1-3].
Особенное значение имеет оценка величины магнитной вязкости - постоянной τ - при разработке энергетических устройств, предложенных автором [4-5], в которых эта величина определяет динамику работы этих устройств и возможности оптимизации их работы по критерию удельной выходной мощности с единицы объема используемого ферроматериала.
Известны измерители магнитной вязкости ферромагнетиков, действие которых основано на измерении временной задержки изменения намагниченности ферромагнетиков при изменении напряженности действующего на них магнитного поля [6-8]. Ближайшим техническим решением (прототипом) заявляемому объекту изобретения является измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков [8], преимущественно выполненных в виде ферритовых колец, состоящий из высокочастотного генератора с колебательным контуром, катушка индуктивности которого намотана на одной части ферритового кольца, другая часть которого помещена между полюсами магнитной системы с катушками подмагничивания, подключенными к сумматору токов, первый вход которого соединен с регулируемым источником постоянного тока, а второй его вход соединен с регулируемым по амплитуде источником переменного тока со стабилизированной частотой, в зазор между одним из полюсов магнитной системы и ферритовым кольцом помещен датчик Холла, электрически связанный с последовательно включенными усилителем переменного тока и первым компаратором, выход высокочастотного генератора подключен к последовательно включенным частотному детектору и второму компаратору, выходы первого и второго компараторов подключены к входам фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора счетных импульсов, а выход счетчика подключен к решающему процессору с индикатором.
Недостатком известного устройства является влияние частотной зависимости параметров ферромагнетика в переменном магнитном поле на точность производимых измерений.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения является повышение точности измерений магнитной вязкости и расширение функциональных возможностей устройства.
Указанные цели достигаются в заявляемом приборе для измерения магнитной вязкости ферромагнетика, содержащем ферромагнитное кольцо из исследуемого ферроматериала, часть которого помещена в магнитный зазор электромагнита, связанного с регулируемым источником постоянного тока подмагничивания, и решающий процессор (персональный компьютер) с индикатором, отличающемся тем, что ферромагнитное кольцо механически связано с осью вращения синхронного электродвигателя, который подключен к выходу генератора переменного тока с регулируемой частотой, по краям магнитного зазора электромагнита по ходу вращения ферромагнитного кольца установлены входной и выходной магнитные датчики, магнитно связанные с ферромагнитным кольцом и включающие катушки индуктивности, связанные с соответствующими первым и вторым подстраиваемыми конденсаторами, образующиеся колебательные контуры входят в состав первого и второго высокочастотных генераторов, выходы одной из фаз генератора переменного тока с регулируемой частотой, токоизмерительного элемента регулируемого источника постоянного тока подмагничивания, первого и второго высокочастотных генераторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам решающего процессора (персонального компьютера) с индикатором, а первый и второй управляющие выходы решающего процессора, управляемого оператором, подключены соответственно к управляющим входам регулируемого источника постоянного тока подмагничивания и генератора переменного тока с регулируемой частотой.
Достижение поставленных целей изобретения объясняется сравнением частоты первого и второго высокочастотных генераторов при неподвижном состоянии ферромагнитного кольца и при его вращении с различной угловой скоростью и при вариации подмагничивающего тока в электромагните. Частота колебаний в этих высокочастотных генераторах определяется магнитной восприимчивостью (относительной магнитной проницаемостью) исследуемого ферромагнетика в местах установки входного и выходного магнитных датчиков, обмотки которых входят в состав колебательных контуров. Указанное сравнение частот производится в различных режимах вращения ферромагнитного кольца и при вариации напряженности магнитного поля, действующего на ферромагнетик.
Заявляемое техническое решение понятно из представленных чертежей.
На рис.1 представлена схема основных частей прибора (сверху - вид сбоку на ферритовое кольцо, снизу - вид сверху на него), включающего:
1 - исследуемое ферромагнитное кольцо;
2 - ось вращения ферромагнитного кольца;
3 - синхронный электродвигатель;
4 - траверсы крепления ферромагнитного кольца 1 с осью вращения 3;
5 - электромагнит;
6 - обмотку электромагнита 5;
7 - регулируемый источник постоянного тока подмагничивания;
8 - генератор переменного тока с регулируемой частотой;
9 - первый высокочастотный генератор;
10 - второй высокочастотный генератор;
11 - первый подстраиваемый конденсатор;
12 - второй подстраиваемый конденсатор;
13 - решающий процессор (персональный компьютер) с индикатором.
На рис.2 показан фрагмент устройства в линейном представлении, который включает элементы, которые сложно было показать на рис.1, а именно:
14 - входной магнитный датчик;
15 - катушка индуктивности входного магнитного датчика 14;
16 - выходной магнитный датчик;
17 - катушка индуктивности выходного магнитного датчика.
На рис.3 показан вид по АА (см. рис.2) на магнитные датчики, из которого видно, что магнитный зазор магнитных датчиков бесконтактно магнитно связан с ферромагнитным кольцом 1, что приводит к изменению индуктивности их катушек 15 (17), входящих в состав колебательных контуров (вместе с первым и вторым подстраиваемыми конденсаторами 11 и 12 соответственно первого и второго высокочастотных генераторов 9 и 10).
HAC
НАЧ
MAX
HAC
На рис.4 представлены эпюры зависимости величины магнитной восприимчивости ферромагнитного кольца в различных его сечениях вне и внутри магнитного зазора электромагнита 5 при различных режимах вращения ферромагнитного кольца и при различных напряженностях магнитного поля внутри магнитного зазора электромагнита 5. В частности, сплошной линией показано изменение магнитной восприимчивости χ(x) ферромагнетика вдоль направления его движения в магнитном зазоре и вне его при напряженности магнитного поля H* в магнитном зазоре, при котором магнитная восприимчивость достигает своей максимально возможной величины в конце магнитного зазора при оптимальной угловой скорости вращения Ω* ферромагнитного кольца. Пунктирной линией показано изменение магнитной восприимчивости ферромагнетика в насыщающем магнитном поле H>H* при том же темпе вращения ферромагнитного кольца или при скоростях Ω<Ω*. Видно, что вне магнитного зазора со стороны входного магнитного датчика магнитная восприимчивость ферромагнетика является начальной χ, затем внутри магнитного зазора экспоненциально возрастает согласно выражению (1), доходит до максимума χ в магнитном поле H* к концу магнитного зазора длиной L или начинает спадать в соответствии с известной кривой Столетова при насыщающем магнитном поле H>H* и в области парапроцесса. Входной 14 и выходной 16 магнитные датчики, установленные с малыми зазорами d<<L относительно краев магнитного зазора электромагнита 5, регистрируют значения магнитных восприимчивостей ферромагнетика, находящегося в поле этих магнитных датчиков, значения которых мало отличаются от тех, которые имеются у ферромагнетика на концах магнитного зазора электромагнита 5, то есть при x=0 и при x=L. Ошибка в определении магнитной восприимчивости при x=L+d, равная Δχ, тем меньше, чем меньше отношение d/L.
Рассмотрим работу заявляемого прибора.
1O
2O
O
1O
2O
1O
2O
В исходном состоянии и в предположении однородности ферромагнетика, из которого выполнено ферромагнитное кольцо 1, при неподвижном состоянии последнего (синхронный электродвигатель 3 выключен) осуществляют подстройку первого и второго высокочастотных генераторов 9 и 10 на одинаковые частоты ω=ω при отсутствии магнитного поля H=0 внутри магнитного зазора электромагнита 5. Это достигается с помощью первого 11 и второго 12 подстраиваемых конденсаторов. Проверку однородности ферроматериала производят при медленном вращении ферромагнитного кольца с регистрацией весьма малых возможных отклонений частоты Δω=ω-ω от средней частоты (ω+ω)/2.
1O
2O
Проверка равенства этих частот ω(H) и ω(H) при изменении значений напряженности магнитного поля H>0 внутри магнитного зазора осуществить не представляется возможным, поскольку входной 14 и выходной 16 магнитные датчики не связаны с участками ферромагнетика, находящегося в магнитном поле магнитного зазора электромагнита 5.
MAX
После проверки однородности ферромагнитного материала, переходят к определению магнитного поля H* внутри магнитного зазора, при котором достигается максимум магнитной восприимчивости χ, и к нахождению угловой скорости Ω* вращения ферромагнитного кольца 1 вариацией частоты генератора переменного тока с регулируемой частотой 8 и вариацией тока подмагничивания J (см. рис.1) в обмотке 6 электромагнита 5 изменением этого тока, следовательно, магнитного поля H, от регулируемого источника постоянного тока 7.
НАЧ
1О
2
MAX
2
1O
2
При этом следует иметь в виду, что входной магнитный датчик всегда регистрирует начальную магнитную восприимчивость χ независимо от величины угловой скорости вращения Ω ферромагнитного кольца, что регистрируется неизменностью частоты ω первого высокочастотного генератора 9. При увеличении магнитной восприимчивости ферроматериала, связанного с выходным магнитным датчиком 16, частота ω вырабатываемых во втором высокочастотном генераторе 10 сигналов уменьшается, и минимальное ее значение соответствует с необходимой точностью (обусловленной неравенством d<<L) максимально возможному значению магнитной восприимчивости χ. Это становится возможным при определенном значении напряженности магнитного поля H* внутри магнитного зазора и в диапазоне скоростей вращения ферромагнитного кольца Ω≤Ω*. Поэтому, постепенно увеличивая скорость вращения Ω, можно минимизировать частоту ω по максимуму частотной разницы Δω=ω-ω - частоты биений для первого и второго высокочастотных генераторов, что анализируется в решающем процессоре (персональном компьютере) с индикатором 13. В диапазоне скоростей Ω, близком к Ω*, но меньшем его, при плавном изменении магнитного поля H необходимо добиться максимума частоты биений Δω, а затем, постепенно увеличивая скорость Ω вращения ферромагнитного кольца, дойти до значения Ω*, после которого (то есть при Ω>Ω*) частота биений Δω вновь начнет уменьшаться. Это означает, что магнитная восприимчивость ферромагнетика уменьшается по правой ниспадающей части кривой Столетова. Поэтому следует зафиксировать значение частоты Ω*. После этого плавным изменением напряженности магнитного поля H в сторону увеличения и уменьшения его относительно ранее установленной величины H* следует убедиться в уменьшении частоты биений Δω. Это означает, что ранее выбранное значение магнитного поля H* выбрано правильно. Таким образом находят значения H* и Ω*.
НАЧ
MAX
Зная величину Ω* и средний радиус R ферромагнитного кольца, находят линейную скорость V протяжки ферроматериала вдоль магнитного зазора длиной L в течение промежутка времени Δt. Связь этих величин дается простыми соотношениями: V=Ω*R и Δt=L/V=L/Ω*R. Из выражения (1) для определения магнитной вязкости ферромагнетика, а именно постоянной релаксации τ, необходимо задать тот интервал времени Δt, в течение которого происходит изменение величины магнитной вязкости ферромагнетика от начального значения χ до значения χ при скачкообразном изменении магнитного поля, действующего на ферромагнетик, от H=0 до H=H*. Таким временем как раз и является интервал времени Δt=L/Ω*R при H=H* в предположении пренебрежимой малости незавершенности экспоненциального процесса, если полагать, что Δt=eτ, где e=2,71 - основание натурального логарифма, поскольку exp(-e)=0,066<<1, и точность в определении величины τ не хуже 7…10%, что достаточно для разработки соответствующих изделий с использованием ферроматериала.
O
HAC
O
-6
При увеличении напряженности магнитного поля H>H* будем регистрировать последовательное уменьшение магнитной восприимчивости ферромагнетика, включая работу ферромагнетика в области насыщения (при парапроцессе). Как известно, в насыщающих магнитных полях намагниченность ферромагнетика практически не изменяется и при этом µ(χ+1)H≈const, где µ=1,256·10 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. С помощью заявляемого прибора можно убедиться в уменьшении магнитной восприимчивости, обратно пропорциональном увеличению напряженности магнитного поля в магнитном зазоре при насыщении ферромагнетика (при парапроцессе).
HAC
MAX.
Так, на рис.4 пунктирной кривой показана эпюра изменения магнитной восприимчивости ферромагнетика при вращении ферромагнитного кольца в насыщающем магнитном поле H>>H*, и выходной магнитный датчик регистрирует значительное снижение магнитной вязкости против максимальной его величины χ
Для повышения точности экспериментального определения значений H* и Ω* следует минимизировать расстояние d выходного магнитного датчика 16 от края магнитного зазора, а также уменьшать зазор между плоскостями ферромагнитного кольца и полюсами магнитного датчика. Осевое биение ферромагнитного кольца при этом практически не сказывается на точности производимых измерений, так как увеличение зазора с одной стороны полюсов датчика на столько же уменьшает зазор с другой его стороны, так что полный воздушный промежуток сохраняется.
1O
2
Все измеряемые данные - частот ω, ω, Ω*, оптимального магнитного поля H* с учетом геометрии устройства - размеров R и L, - поступающие на входы решающего процессора (персонального компьютера) с индикатором 13, обрабатываются по соответствующей программе. Кроме того, эта программа вырабатывает управляющие сигналы для регулируемого источника постоянного тока подмагничивания 7 и генератора переменного тока с регулируемой частотой 8, что позволяет автоматизировать процесс измерения магнитной вязкости ферромагнетика. Возможно также и ручное управление оператором с клавиатуры решающего процессора, в качестве которого можно использовать персональный компьютер с монитором, на экране которого отображаются графики и таблицы для измеряемых величин. Сведения о различных марках ферромагнетиков, подвергнутых исследованию, сохраняются в базе данных персонального компьютера, могут быть переписаны на гибкий диск и документированы на бумажном носителе.
Модификацией заявляемого устройства является установка магнитных датчиков относительно кромки ферромагнитного кольца, что позволяет располагать выходной магнитный датчик внутри магнитного зазора с возможностью перемещения этого магнитного датчика внутри магнитного зазора (по окружности около кромки ферромагнитного кольца). Однако такое перспективное в принципе размещение выходного магнитного датчика сопряжено с трудностями правильного измерения из-за влияния радиального биения ферромагнитного кольца, которое требует при этом его высокоточной обработки и установки на оси вращения синхронного двигателя.
Заявляемый прибор окажется весьма полезным устройством для экспресс выбраковки ферромагнитных материалов и изделий на их основе, в частности при введении в ферромагнетик различного рода присадок в технологическом процессе изготовления ферромагнетиков для получения приемлемых значений магнитной вязкости, например, при подгонке постоянной релаксации τ в диапазоне τ=0,5…2 мс для реализации магнитных энергетических устройств. Для этой цели необходимо также исследовать такие параметры ферромагнетика, как магнитокалорическая активность, теплопроводность, напряженность насыщающего магнитного поля, при которой происходит фазовый переход первого рода со скачкообразным уменьшением удельной теплоемкости ферроматериала, что используется в указанных энергетических устройствах для преобразования тепловой энергии внешней среды в механическую.
Источники информации
RU 2309527 C1, 27.10.2007.
RU 2291546 C1, 10.01.2007.
JP 20011255305 A, 21.09.2001.
JP 63180851 A, 25.07.1988.
Литература
1. Kronmiiller H. Nachwirkung in Kerromagnetika, В. - [u.a.], 1968.
2. Вонсовский С.В. Магнетизм, М., 1971.
3. Мишин Д.Д. Магнитные материалы, М., 1981.
4. Меньших О.Ф. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778, опубл. в бюл. №24 от 27.08.2008.
5. Меньших О.Ф. Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, опубл. в бюл. №26 от 20.09.2009.
6. Меньших О.Ф. Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2338216, опубл. в №31 от 10.11.2008.
7. Меньших О.Ф. Способ измерения магнитной вязкости ферроматериалов. Патент РФ №2357240, опубл. в №15 от 27.05.2009.
8. Меньших О.Ф. Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2357241, опубл. в №15 от 27.05.2009.