УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФЕРРИТА В МАТЕРИАЛЕ
DEVICE FOR DETERMINING FERRITE CONTENT IN MATERIAL

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к испытаниям магнитных материалов, и может быть использовано для определения содержания феррита в материале, измерения температурных зависимостей степени ферритизации и определения по ним температур магнитных фазовых переходов.
Известно устройство для определения содержания феррита в материале (RU 2559323 C1, МПК7 G01N 27/72, опубл. 10.08.2015), содержащее два постоянных магнита, первые два противоположных полюса которых ориентированы навстречу друг другу и разделены воздушным промежутком, а другие два противоположных полюса магнитов соединены С-образным магнитопроводом, на который намотана катушка индуктивности, подключенная к регистратору ЭДС индукции, шток для размещения испытуемого материала закреплен на оси электродвигателя для вращения испытуемого материала с постоянной угловой скоростью в вертикальной плоскости относительно магнитных силовых линий постоянных магнитов, соединяющих их полюса. В воздушном промежутке между полюсами магнитов установлена тепловая камера, соединенная с источником тока, шток для размещения испытуемого материала размещен в объеме тепловой камеры через боковое отверстие в ее корпусе, измерительный спай термопары размещен внутри тепловой камеры через второе боковое отверстие в ее корпусе, второй регистратор ЭДС подключен к концам термопары.
Недостатком устройства является его низкая точность температурных измерений. В конструкции устройства температуру испытуемого материала определяют по измерениям термо-ЭДС термопары, расположенной внутри тепловой камеры. Из-за нагрева путем передачи тепла от тепловой камеры другим компонентам устройства, расположенным в непосредственной близости, происходит искажение сигнала ЭДС с катушки индуктивности вследствие нагрева самой катушки, магнитопровода и магнитов. Таким образом, с помощью этого устройства затруднительно корректно измерить температурные зависимости степени ферритизации материала. Вследствие чего практически становится невозможно проводить исследования магнитных фазовых переходов многокомпонентных магнитных материалов, в которых наблюдаются множественные магнитные переходы.
Задачей изобретения является повышение точности определения температурных зависимостей степени ферритизации магнитных материалов.
Устройство для определения содержания феррита в материале содержит так же, как в прототипе, два постоянных магнита, первые два противоположных полюса которых ориентированы навстречу друг другу, а другие два противоположных полюса магнитов соединены С-образным магнитопроводом, на который намотана катушка индуктивности, подключенная к регистратору ЭДС индукции. Между полюсами магнитов расположена тепловая камера, соединенная с источником тока. Шток для размещения испытуемого материала вставлен в объем тепловой камеры через боковое отверстие и закреплен на оси электродвигателя для вращения испытуемого материала с постоянной угловой скоростью в вертикальной плоскости относительно магнитных силовых линий постоянных магнитов, соединяющих их полюса. Измерительный спай термопары размещен внутри тепловой камеры через второе боковое отверстие в ее корпусе. Второй регистратор ЭДС подключен к концам термопары.
Согласно изобретению корпус устройства выполнен с углублением в верхней части, при этом двойные стенки корпуса снабжены каналами для прохода и патрубками для ввода и вывода охлаждающей жидкости, патрубки через шланги соединены с термостатом. Два постоянных магнита закреплены внутри корпуса на противоположных стенках углубления, так что магнитные силовые линии, соединяющие их полюса, пересекают пространство внутри углубления. Выводы катушки индуктивности соединены с первым разъемом в корпусе, к которому подключен первый регистратор ЭДС индукции. В углублении корпуса установлена тепловая камера. Внутри корпуса расположен электродвигатель, на оси которого закреплен шток, вставленный в тепловую камеру через боковые отверстия в стенке углубления корпуса и тепловой камеры. Измерительный спай термопары вставлен в объем тепловой камеры через второе боковое отверстие в ней так, что свободные концы термопары размещены внутри корпуса и соединены через второй электрический разъем в корпусе со вторым регистратором ЭДС.
Шток может быть снабжен капсулой из немагнитного материала для размещения в ней испытуемого порошкового материала.
Предложенное выполнение корпуса устройства позволяет защитить все узлы устройства от нагрева тепловой камерой и поддерживать их температуру на постоянном уровне. Это повышает точность измерений температуры испытуемого материала и исключает зависимость ЭДС индукции катушки индуктивности от температуры окружающих объектов и, как следствие, позволяет измерять с высокой достоверностью температурные зависимости степени ферритизации материалов, что дает возможность с высоким разрешением определять по ним температуры магнитных фазовых переходов многокомпонентных магнитных материалов.
На фиг. 1 показана схема устройства для определения содержания феррита в материале.
На фиг. 2 приведена зависимость величины сигнала ЭДС индукции U от температуры испытуемого материала, измеренная с помощью устройства-прототипа.
На фиг. 3 приведена зависимость величины сигнала ЭДС индукции U от температуры испытуемого материала, измеренная на предлагаемом устройстве.
Устройство для определения содержания феррита в материале содержит корпус 1, который выполнен с углублением в верхней части (фиг. 1). Двойные стенки корпуса 1 снабжены каналами для прохода и патрубками для ввода и вывода охлаждающей жидкости. Патрубки через шланги соединены с термостатом (на фиг. 1 не показано).
Два постоянных магнита 2 закреплены внутри корпуса 1 на противоположных стенках углубления. Два противоположных полюса постоянных магнитов 2 ориентированы навстречу друг другу так, что магнитные силовые линии, соединяющие их полюса, пересекают пространство внутри углубления. Другие два противоположных полюса постоянных магнитов 2 соединены С-образным магнитопроводом 3. На С-образный магнитопровод 3 намотана катушка индуктивности 4, к выводам которой через первый разъем в корпусе 1 подключен первый регистратор ЭДС индукции 5.
В углублении корпуса 1 установлена тепловая камера 6, которая соединена с источником тока (на фиг. 1 не показан).
Внутри корпуса 1 расположен электродвигатель 7, на оси которого закреплен шток 8, вставленный в тепловую камеру 6 через боковые отверстия в стенке углубления корпуса 1 и тепловой камеры 6. На конце штока 8, расположенном в объеме тепловой камеры 6, закреплен монолитный испытуемый материал или закреплена капсула 9 из немагнитного материала с испытуемым порошкообразным материалом. Измерительный спай термопары 10 вставлен в объем тепловой камеры 6 через второе боковое отверстие в ней и второе боковое отверстие в стенке углубления корпуса 1 так, что свободные концы термопары 10 размещены внутри корпуса 1 и соединены через второй электрический разъем в корпусе 1 с вторым регистратором ЭДС 11.
Корпус 1 выполнен из нержавеющей немагнитной стали. Постоянные магниты 2 представляют собой параллелепипеды из самарий-кобальтовой магнитной керамики. С-образный магнитопровод 3 изготовлен из феррита марки 3 СЧ19. Катушка индуктивности 4 намотана проводом марки ПЭЛШО сечением 0,2 мм с количеством витков 3000. Первый регистратор ЭДС индукции 5 представляет собой вольтметр переменного тока с пределами измерений (0,1-100) В. Тепловая камера 6 представляет собой печь сопротивления, все детали которой выполнены из немагнитного материала. Шток 8 выполнен из немагнитной нержавеющей стали. Электродвигатель 7 представляет собой стандартный электродвигатель постоянного или переменного тока, обеспечивающий стабильную фиксированную частоту вращения в пределах (100-1000) об/мин. Первый и второй электроды термопары 10 выполнены соответственно из хромелевой и алюмелевой проволоки. В качестве регистратора ЭДС 11 термопары 10 может быть использован, например, электроизмерительный прибор В7-16А. В качестве термостата может быть использован жидкостной циркуляционный термостат с охлаждением Portlab NC-12D.
Устройство работает следующим образом. Стабилизируют на заданном уровне температуру корпуса 1 и всех узлов устройства, находящихся внутри корпуса 1, посредством непрерывной циркуляции при помощи внутреннего компрессора термостата воды, поступающей из термостата, через каналы между двойными стенками корпуса 1. Капсулу 9 с испытуемым материалом перемещают в объеме тепловой камеры 6 с заданной частотой путем вращения штока 8 с помощью электродвигателя 7 с постоянной угловой скоростью в вертикальной плоскости относительно магнитных силовых линий постоянных магнитов 2. Во время перемещения капсулы 9 с испытуемым материалом в объеме тепловой камеры 6, расположенной в выемке корпуса 1 и между полюсами магнитов 2, происходит намагничивание испытуемого материала, что приводит к изменению магнитной проницаемости промежутка между магнитами 2. В результате происходит изменение величины магнитного потока в С-образном магнитопроводе 3. В свою очередь, изменение магнитного потока приводит к возникновению ЭДС на катушке индуктивности 4, величина которой пропорциональна содержанию феррита в испытуемом материале. Первый регистратор ЭДС индукции 5 измеряет ЭДС, наведенную в катушке индуктивности 4. Одновременно с помощью тепловой камеры 6 проводят равномерный нагрев испытуемого материала до температуры, на 100-200°С превышающей температуру Кюри исследуемого материала, контролируя скорость нагрева и температуру по показаниям второго регистратора ЭДС 11 термопары 10, и с заданной периодичностью фиксируют по мере нагрева значения температуры нагрева испытуемого материала и соответствующие им величины ЭДС индукции катушки индуктивности 4. По показаниям второго регистратора ЭДС 11 осуществляют контроль температуры объема нагревательной камеры и используют данный сигнал для управления температурной программой нагрева испытуемого материала. При достижении температуры нагрева температуры Кюри в испытуемом материале происходит магнитный фазовый переход, что проявляется в резком уменьшении ЭДС индукции катушки индуктивности 4 вплоть до нулевого значения. Строят график зависимости ЭДС индукции катушки индуктивности 4 от температуры нагрева испытуемого материала. По месту положения на данном графике скачка ЭДС индукции катушки индуктивности 4 определяют соответствующую ему температуру нагрева испытуемого материала, которая численно совпадает с температурой Кюри.
Содержание феррита для исследуемого материала при комнатной температуре определяют по величине полученного сигнала ЭДС индукции катушки индуктивности 4 с использованием заранее снятой градуировочной зависимости, полученной по результатам измерений ЭДС индукции катушки индуктивности 4 для материалов с различным известным содержанием феррита.
0,649
1,598
0,5
0,2
0,051
4
С помощью предлагаемого устройства провели измерения зависимостей ЭДС индукции катушки 4 от температуры нагрева для смеси в равных весовых частях двух ферритовых материалов с известной величиной температуры Кюри, соответствующей магнитному фазовому переходу. В качестве первой компоненты смеси испытуемого материала использовали ферритовую керамику 3СЧ18 химического состава LiFeTiZnMnО, температура Кюри которой составляет 300°С (http://www.rusgates.ru/company/microwave_ferrits/poroperties_of_microwave_ferrits/). В качестве второй компоненты смеси испытуемого материала использовали пентаферрит лития, температура Кюри которого равна 667°С (http://cyberleninka.m/article/n/vliyanie-vklyucheniy-oksida-alyuminiya-na-magnitnyy-fezovyy-perehod-v-ferritovoy-keramike-3sch18). Полученные для смеси испытуемых материалов графики зависимостей ЭДС индукции U катушки индуктивности 4 от температуры нагрева, полученные с помощью устройства-прототипа и предлагаемого устройства, представлены на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно. Определенные по месту положения резкого спада ЭДС индукции U значения температуры Кюри для феррита 3СЧ-18 и пентаферрита лития с помощью устройства-прототипа были равными 290±10°С и 665±3°С, а полученные с помощью предлагаемого устройства составили 299±2°C и 666±2°С. Таким образом, значения температур магнитных фазовых переходов, определенные с помощью предложенного устройства более точны и определены с меньшей погрешностью.