Устройство для регистрации петель гистерезиса ферромагнитных материалов
DEVICE FOR REGISTRATION OF HYSTERESIS LOOPS OF FERROMAGNETIC MATERIALS

Изобретение относится к области измерения магнитных характеристик ферромагнитных материалов путем регистрации их петель гистерезиса и может быть использовано при разработке и изготовлении электромагнитных элементов, таких как, например, трансформаторы, реакторы и пр., и может применяться как на стадии научно-исследовательских разработок, так и при проверке материалов на соответствие параметрам, заявленным производителем.
Известны устройства для регистрации гистерезисных петель, например, патент RU 2381516  C1, 10.02.2010 г.,  патент CN 103176148A, 02.07.2014 г., патент US 4044302, 23.08.1977 г., патент RU 2727071 С1, 17.07.2020г.,  содержащие по две обмотки, намотанные на магнитопроводе, – измерительную и намагничивающую, регистратор (осциллограф), калиброванный резистор в качестве датчика тока, пропорционального напряженности магнитного поля, сигнал с которого инициирует отклонение луча регистратора в горизонтальном направлении, интегратор, сигнал с выхода которого пропорционален магнитной  индукции в сердечнике и инициирует отклонение луча осциллографа по вертикали. Общим недостатком указанных схем является наличие двух обмоток, что, во-первых, усложняет технологичность процесса регистрации петель гистерезиса, а во-вторых, снижает точность измерений, так как магнитная связь между обмотками всегда несколько ниже единицы. Кроме того, здесь отсутствует защита  схемы измерения и самого сердечника от его возможного насыщения, которое часто возникает в результате достаточной сложности обеспечения симметричного режима перемагничивания исследуемого образца. Такое необратимое и неконтролируемое насыщение сердечника может привести к выходу из строя источника питания и измерительного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятое за прототип  устройство для регистрации гистерезисных петель, содержащее источник постоянной ЭДС, испытуемый сердечник с намагничивающей обмоткой, регистрирующий двухкоординатный осциллограф, интегратор (см. патент RU 2727071 С1. Опубликовано: 17.07.2020 г. Бюл.№ 20).
Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в обеспечении регистрации петель гистерезиса ферромагнитных материалов, в том числе частных петель, с возможностью регулирования глубины насыщения, а также  защиты источника питания и регистрирующего устройства от бросков тока, вызываемых насыщением сердечника и способных привести к аварии, повышении точности измерений, а также технологичности процесса регистрации петель гистерезиса исследуемого образца.
Указанные задачи решаются за счет того, что устройство для регистрации петель гистерезиса ферромагнитных материалов, содержащее первый источник постоянной ЭДС,  испытуемый сердечник с намагничивающей обмоткой, регистрирующий двухкоординатный осциллограф, интегратор, состоящий из последовательно соединенных резистора и конденсатора, дополнительно содержит второй источник постоянной ЭДС, соединенный последовательно с первым, точка соединения которых заземлена, первый и второй регулируемые стабилизаторы напряжения (РСН), вход первого РСН соединен с положительной клеммой первого источника постоянной ЭДС, а вход второго РСН соединен с отрицательной клеммой второго источника постоянной ЭДС, регулятор напряжения, выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго РСН, дифференциальный усилитель (ДУ) на операционном усилителе (ОУ), выход которого подключен к одному из двух входов осциллографа,  преобразователь тока в напряжение на ОУ, неинвертирующий вход которого заземлен,  а инвертирующий вход соединен с выходом намагничивающей обмотки, а также посредством резистора обратной связи соединен с выходом ОУ, который посредством резистора также соединен с инвертирующим входом ДУ, который посредством резистора обратной связи также соединен с выходом ДУ,  а  его неинвертирующий вход заземлен, переключатель полярности питающего намагничивающую обмотку напряжения (ПППН) на ОУ, инвертирующий вход которого соединен  с выходом ДУ, неинвертирующий вход через регулируемый резистор соединен с землей и посредством резистора обратной связи с выходом ОУ, усилитель мощности на двух транзисторах различной проводимости, базовые выводы которых соединены  с выходом ОУ ПППН, эмиттерные выводы объединены и подключены к входу намагничивающей обмотки, а коллекторные выводы соединены с выходами первого и второго РСН, параллельно транзисторам подключены обратные диоды, точка соединения резистора и конденсатора интегратора подключена ко  второму из двух входов осциллографа, другой вывод резистора подключен ко входу намагничивающей обмотки, а другой вывод конденсатора заземлен.
Техническим результатом использования данного изобретения является   возможность регистрировать как предельные, так и частные петли гистерезиса ферромагнитных материалов при различных частотах перемагничивания с возможностю регулирования глубины насыщения,  так как устройство позволяет задавать  и контролировать желаемые значения тока намагничивания  и регулировать частоту перемагничивания, исключение аварийных режимов работы источника питания схемы, что обеспечивается принципом работы ПППН, а также повышение технологичности и точности процесса измерений вследствие размещения только одной обмотки на сердечнике.
Технический результат обеспечивается тем, что, в отличие от прототипа в предлагаемом изобретении намотана лишь одна обмотка на сердечнике. При этом возрастает технологичность и простота подготовки образцов к испытаниям. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что при использовании двух обмоток коэффициент связи между ними всегда меньше единицы, что обусловливает появление погрешности при использовании намагничивающей и измерительной обмоток. Надо отметить, что для корректности такого подхода необходимо обеспечить  низкое сопротивление обмотки. Автогенераторный режим работы ПППН, питающего катушку,  позволяет защитить источник и транзисторные ключи от аварийных режимов работы, связанных с насыщением сердечника, за счет самого принципа действия схемы, которая работает в режиме компаратора и изменяет полярность выходного напряжения при достижении током намагничивания заданных значений, что исключает неконтролируемое насыщение сердечника и таким образом обеспечивает защиту от перегрузки и аварии как источника, питающего схему, так и транзисторного усилителя.  C помощью делителя напряжения на неинвертирующий вход ОУ ПППН  подается опорное напряжение, которое можно изменять регулировочным резистором. Это опорное напряжение определяет ток катушки, при котором происходит смена полярности питающего ее напряжения, так как на неинвертирующий вход ОУ ПППН подается сигнал, пропорциональный току намагничивания. Таким образом, при помощи регулировочного резистора можно менять максимальное значение намагничивающего тока, и, следовательно, глубину насыщения магнитопровода. Частная петля гистерезиса может быть получена при значениях напряженности магнитного поля, меньших, чем в случае предельного цикла. Частота перемагничивания зависит как от величины тока намагничивания, так и от скорости его изменения. Поэтому на частоту перемагничивания с одной стороны влияет величина сопротивления регулировочного резистора ОУ ПППН, определяющего ток, а с другой стороны – величина выходного напряжения РСН1 и РСН2, так как она определяет величину напряжения u, подаваемого на обмотку, которое равно: u ~ e = - L di/dt, где L – индуктивность обмотки, e – ЭДС самоиндукции. Совместное регулирование величины сопротивления регулировочного резистора ОУ ПППН и выходных напряжений РСН1 и РСН2 позволяет получить любой вид петли гистерезиса при любой требуемой частоте перемагничивания.
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого устройства для регистрации петель гистерезиса ферромагнитных материалов.
На фиг. 2 приведены осциллограммы токов и напряжений схемы заявляемого устройства, подтверждающие принцип ее работы. На фиг. 2а показана форма напряжения, подаваемого с выхода усилителя на обмотку сердечника; на фиг. 2б представлена форма тока намагничивания, пропорционального  напряженности магнитного поля в катушке и подаваемого на один из входов осциллографа; на фиг. 2в дана форма напряжения, снимаемого с конденсатора интегратора, и подаваемого на другой вход осциллографа, которое пропорционально индукции  магнитного поля сердечника; на фиг. 2г представлена петля гистерезиса исследуемого сердечника.
Схема на  фиг. 1 содержит первый 1 и второй 2 источники постоянной ЭДС, соединенные последовательно, точка соединения которых заземлена, испытуемый сердечник с намагничивающей обмоткой 3, регистрирующий двухкоординатный осциллограф 4, интегратор, состоящий из последовательно соединенных резистора 5 и конденсатора 6, причем точка соединения резистора 5 и конденсатора 6 интегратора подключена к одному из двух входов осциллографа 4, другой вывод резистора 5 подключен ко входу намагничивающей обмотки 3, а другой вывод конденсатора 6 заземлен, первый 7 и второй 8 регулируемые стабилизаторы напряжения (РСН), вход первого РСН 7 соединен с положительной клеммой первого источника постоянной ЭДС 1, а вход второго РСН 8 соединен с отрицательной клеммой второго источника постоянной ЭДС 2, регулятор напряжения 9, выходы которого соединены с управляющими входами обоих РСН, дифференциальный усилитель (ДУ) на операционном усилителе (ОУ) 10, выход которого подключен к одному из двух входов осциллографа 4,  преобразователь тока в напряжение на ОУ 11, неинвертирующий вход которого заземлен,  а инвертирующий вход соединен с выходом намагничивающей обмотки 3, а также посредством резистора обратной связи 12 соединен с выходом ОУ 11, который посредством резистора 13 также соединен с инвертирующим входом ДУ, который посредством резистора обратной связи  14 также соединен с выходом ДУ,  а  его неинвертирующий вход заземлен, переключатель полярности питающего намагничивающую обмотку 3 напряжения (ПППН) на ОУ 15, инвертирующий вход которого соединен  с выходом ДУ, неинвертирующий вход через регулируемый резистор 16 соединен с землей и посредством резистора обратной связи 17 с выходом ОУ 15, усилитель мощности на двух транзисторах 18, 19 различной проводимости, базовые выводы которых соединены  с выходом ОУ 15 ПППН, эмиттерные выводы объединены и подключены к входу намагничивающей обмотки 3, а коллекторные выводы соединены с выходами первого 7 и второго 8 РСН, параллельно транзисторам 18 и 19 подключены обратные диоды 20 и 21.
упр
Схема устройства для регистрации петель гистерезиса ферромагнитных материалов работает следующим образом. Электропитание схемы осуществляется двуполярным напряжением, генерируемым источниками постоянного напряжения 1 и 2. От этих источников питаются регулируемые стабилизаторы напряжения (РСН) 7 и 8. Усилитель мощности на транзисторах 18 и 19, а также диодах 20 и 21 получает питание с выходов РСН 7 и 8. Выходное напряжение обоих РСН  регулируется внешними сигналами U,, поступающими от регулятора напряжения 9. Чем больше выходное напряжение РСН, тем выше частота перемагничивания исследуемого образца. На сердечнике из диагностируемого материала намотана катушка, которая питается переменным прямоугольным напряжением, поступающим с выхода усилителя (фиг. 2а), который обеспечивает требуемую величину намагничивающего тока (фиг. 2б). С помощью преобразователя тока в напряжение на ОУ 11 намагничивающий ток преобразуется в напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля H в сердечнике, и посредством ДУ на ОУ 10  инвертируется и подается на один из входов осциллографа-регистратора, а также на инвертирующий вход ОУ 15. На этом операционном усилителе собрана схема переключения полярности питающего катушку напряжения. Схема работает в автогенераторном режиме, который поддерживается с помощью положительной обратной связи, обеспечиваемой посредством ДУ на ОУ 10. C помощью делителя напряжения, собранного на резисторах 16 и 17, на неинвертирующий вход ОУ 15 подается опорное напряжение, которое определяет ток катушки, при котором происходит смена полярности питающего ее напряжения. Сигнал, пропорциональный индукции B в сердечнике (фиг. 2в), снимается с конденсатора 6 интегратора, требования к которому описаны в [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. – М.: Наука, 1974. – 768 с.]. Назначение обратных диодов 20 и 21 – организация контура рекуперации энергии, накопленной в индуктивности катушки, в начале каждого цикла. Таким образом, на входах осциллографа-регистратора формируются два периодических сигнала, пропорциональные напряженности H и индукции B  магнитного поля в ферромагнитном материале, которые и являются основой для формирования на экране петли гистерезиса B = f(H) (фиг. 2г). С помощью легко фиксируемых значений электрических величин на входах осциллографа нетрудно проградуировать требуемые параметры магнитных величин по осям экрана осциллографа.
По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано при разработке и создании электромагнитных элементов как наземной, так и авиационно-космической техники, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.