СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВЯЗКОСТИ ФЕРРОМАТЕРИАЛОВ
METHOD OF MEASURING MAGNETIC VISCOSITY OF FERROMAGNETICS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке энергетических устройств, действие которых основано на свойстве магнитной вязкости ферромагнетиков.
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 Н 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 (см., напр., Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С.В.Вонсовский. Магнетизм, М., 1971; Д.Д.Мишин. Магнитные материалы. М., 1981).
min
max
Особенное значение имеет оценка величины магнитной вязкости - постоянной τ - при разработке энергетических устройств, предложенных автором [1, 2], в которых эта величина определяет динамику работы этих устройств и возможности оптимизации их работы по критерию удельной выходной мощности с единицы объема используемого ферроматериала. В частности, в ферромагнитовязких ротаторах [2] целесообразно использовать ферритовые кольца, широко применяемые в различных радиотехнических устройствах, например в радиопередатчиках в качестве элементов колебательных контуров с перестройкой частоты действием на ферроматериал кольца магнитным полем, изменяющим относительную магнитную проницаемость µ ферритового кольца и, следовательно, величину индуктивности колебательного контура, линейно зависящую от значения µ. Это видно из фиг.1, на которой представлена кривая Столетова - зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля µ (Н). Работа указанных энергетических устройств происходит на ниспадающем участке характеристики µ(Н), на котором (в диапазоне от H до Н) имеем dµ/dH<0.
Целью изобретения является увеличение точности измерения постоянной магнитной вязкости τ в ферритовых кольцах в области их насыщения.
Указанная цель достигается в заявляемом способе измерения магнитной вязкости ферроматериалов преимущественно к ферритовым кольцам, состоящем в том, что на основе ферритового кольца образуют колебательный контур высокочастотного генератора, часть ферритового кольца, например его половину, помещают в непрерывно действующее постоянное магнитное поле - поле подмагничивания с напряженностью, соответствующей максимальному значению относительной магнитной проницаемости этой части ферритового кольца, а также воздействуют на указанную часть ферритового кольца дополнительным импульсным магнитным полем, приводящим к глубокому насыщению этой части ферроматериала ферритового кольца, при котором относительная магнитная проницаемость последнего уменьшается более чем на порядок относительно ее максимального значения, измеряют интервал времени между последовательным возникновением двух фиксированных частот на выходе высокочастотного генератора, на которые предварительно настраивают два высокочастотных компаратора, связанные с высокочастотным генератором, определяют с помощью датчика Холла постоянную времени установления импульсного магнитного поля, действующего на указанную часть ферритового кольца, после чего рассчитывают искомую постоянную магнитной вязкости ферроматериала.
Повышение точности производимых измерений магнитной вязкости ферроматериалов в заявляемом способе объясняется использованием высокочастотного компарирования колебаний высокочастотного генератора с изменяющейся во времени частотой под действием импульсной составляющей насыщающего магнитного поля, связанного с определенной частью ферритового кольца в составе колебательного контура, а также высокоточного отсчета временного интервала между стартовым сигналом одного высокочастотного компаратора и стоповым сигналом другого, кроме того, повышению точности измерения способствует учет постоянной времени процесса установления импульсного магнитного поля, воздействующего на указанную часть ферромагнитного кольца, которая определяется с помощью практически безынерционного датчика Холла. Многократное измерение постоянной магнитной вязкости позволяет усреднить результаты измерений и повысить точность измерений в течение короткого времени (нескольких секунд).
Сущность заявляемого способа измерения поясняется реализующим его устройством, блок-схема которого представлена на фиг.2.
min
max
max
min
1
2
2
1
м
м
Устройство состоит из измеряемого ферритового кольца 1, которое использовано в составе колебательного контура из катушки индуктивности 2 и конденсатора 3, включенных к высокочастотному генератору 4. Определенная часть ферритового кольца, например его половина, помещена между полюсами магнитной системы 5 с подмагничивающими обмотками 6, соединенными с выходом источника тока 7, создающего постоянное поле подмагничивания и периодически следующее импульсное насыщающее магнитное поле. При этом подмагничивающее непрерывно действующее магнитное поле имеет напряженность H и определяет максимальное значение относительной магнитной проницаемости µ в указанной части ферритового кольца, как это видно на фиг.1, а импульсное магнитное поле достигает величины Н, при которой в установившемся режиме относительная магнитная проницаемость указанной части ферритового кольца становится минимальной, равной µ. Выходной сигнал высокочастотного генератора 4 поступает на входы измерителя частоты 8 и двух высокочастотных компараторов 9 и 10, настроенных на разные фиксированные частоты из диапазона генерируемых колебаний. На выходах этих высокочастотных компараторов образуются в разные моменты времени t и t короткие импульсы - стартовый импульс с выхода высокочастотного компаратора 9, настроенного на более низкую частоту, и стоповый импульс с выхода высокочастотного компаратора 10, настроенного на более высокую частоту. Эти старт-стопные импульсы подаются на входы счетчика 11 интервала времени Δt=t-t, дискрет отсчета времени в котором определяется частотой следования счетных импульсов с выхода высокочастотного генератора счетных импульсов 12, на втором выходе которого образуются (путем деления частоты счетных импульсов) импульсы запуска, периодически поступающие на управляющий вход источника тока 7 для создания импульсного насыщающего магнитного поля, а также на счетный вход отдельного регистра в счетчике 11 для измерения времени между импульсом запуска и откликом стартового импульса с выхода высокочастотного компаратора 9. Информация о фиксированных частотах высокочастотных компараторов 9 и 10, интервале времени Δt и значении предварительно измеренной постоянной времени магнитной системы при образовании в ней импульсного магнитного поля учитывается при расчете искомой постоянной τ магнитной вязкости ферроматериала ферритового кольца 1, и соответствующий расчет и индикация производимых измерений и вычислений осуществляется блоком вычисления и индикации 13, к входам которого подключены кодовые выходы измерителя частоты 8 и счетчика 11. Измерение постоянной времени τ магнитной системы 5, создающей импульсное магнитное поле, производится с помощью датчика Холла 14, вводимого в зазор между одним из полюсов 5 магнитной системы и ферритовым кольцом 1 в процессе настройки, который связан с индикатором магнитного поля 15, например, осциллографического типа. Информационный выход индикатора магнитного поля 15 подключен к блоку вычисления и индикации 13 для передачи данных о величине постоянной времени τ магнитной системы 5.
Рассмотрим операционную сущность заявляемого технического решения.
0
max
0
0 min
max
min
Поскольку ферритовое кольцо 1 представляет собой замкнутый магнитопровод, то изменение относительной магнитной проницаемости в его отдельном участке под действием внешнего магнитного поля приведет к изменению индуктивности катушки 2 колебательного контура высокочастотного генератора 4, то есть к соответствующему изменению частоты f(t) генерируемых колебаний в функции времени. В исходном состоянии величина тока постоянного подмагничивания I магнитной системы выбирается так, что обеспечивается максимально возможная относительная магнитная проницаемость в той части ферритового кольца, которая находится под действием магнитной системы 5, равная µ. Это обеспечивается настройкой тока подмагничивания I до тех пор, пока частота колебаний в высокочастотном генераторе 4 не станет минимальной, равной f, что индицируется с помощью измерителя частоты 8 и связанного с ним блока вычисления и индикации 13. Как видно из фиг.1, такое значение µ будет достигаться при напряженности магнитного поля подмагничивания, равной Н.
0 max
В процессе настройки устройства увеличивают постоянный ток от источника тока 7 до величины I, при которой насыщающее магнитное поле достигает величины
max
min
0 max
0 min
0 max
1
0 min
2
0 max
1
2
2
1
Н, а величина относительной магнитной проницаемости становится минимальной и равной µ, что соответствует наибольшей частоте генерируемых колебаний в высокочастотном генераторе 4, равной f, что также индицируется с помощью блоков 8 и 13. Таким образом выясняется диапазон перестроек высокочастотного генератора 4 f…f, что позволяет осуществить выбор фиксированных частот из этого диапазона, устанавливаемых в высокочастотных компараторах 9 и 10 - соответственно f>f и f<f. При этом перестройка во времени в высокочастотном генераторе 4 происходит в направлении от низшей частоты к высшей, поэтому вначале появится импульс с высокочастотного компаратора 9 в момент времени t, а затем - с высокочастотного компаратора 10 в момент времени t, то есть через интервал времени Δt=t-t.
0 max
0
0
max
Считается, что импульсное магнитное поле образуется током ΔI=I-I дополнительно к постоянно действующему току подмагничивания I, поэтому при действии импульсного магнитного поля достигается результирующая напряженность магнитного поля в магнитной системе 5, равная Н. При этом само магнитное поле в ферритовом кольце изменяется в функции времени по экспоненциальному закону:
М
имп
М
где τ - постоянная времени установления магнитного поля в системе 5, величина которой считается известной на этапе предварительной настройки устройства и измеренной датчиком Холла 14 и индикатором магнитного поля 15. При этом длительность импульса магнитного поля Т выбрана во много раз большей постоянной времени τ.
0 max
0
1
2
Зная закон изменения относительной магнитной проницаемости µ ферроматериала от напряженности действующего на него внешнего магнитного поля Н в области насыщения (см. кривую Столетова на фиг.1), а также учитывая, что собственная частота колебательного контура обратно пропорциональна корню квадратному от величины относительной магнитной проницаемости µ ферритового магнитопровода катушки индуктивности 2, величина которой при условии замкнутого (кольцевого) магнитопровода определяется относительной магнитной проницаемостью µ(Н) для участка ферритового кольца, связанного с магнитной системой 5, можно легко понять, что при включении импульса тока ΔI=I-I частота генерируемых колебаний на выходе высокочастотного генератора 4 будет изменяться по известному сложному закону в функции времени, что позволит расчетным путем вычислить искомую постоянную τ магнитной вязкости ферроматериала ферритового кольца 1, используя данные о задержке Δt для заданных известных частот компарирования f и f.
Эта задача в ее линейном приближении сводится к решению двух уравнений вида:
2
1
1
М
1
2
1
относительно неизвестной величины τ с учетом, что t-t=Δt при определенном измеренном в счетчике 11 значении момента времени t, отсчитываемого от момента запуска импульса магнитного поля, который задается запускающим импульсом с второго выхода высокочастотного генератора счетных импульсов 12 при соответствующем делении частоты счетных импульсов, действующих на первом выходе последнего. Таким образом, из (3) следует, что τ=F(τ, f, f, t, Δt) применительно к задаче линейного приближения.
1
1
2
Задание момента времени t осуществляется счетом времени в отдельном регистре счетчика 11 таким же образом, как и отсчет интервала времени Δt, от момента времени запуска системы, принимаемого за начало отсчета времени (t=0). Линейное приближение для расчета по уравнениям (3) организуется соответствующим выбором значений фиксированных частот f и f в высокочастотных компараторах 9 и 10. В случае невозможности линеаризации следует производить расчет на основе всех известных функций f(µ), µ(Н) и H(t), которые могут быть исследованы на этапе настройки прибора и введены в программу решения задачи в блоке вычисления и индикации 13.
Так, кривая Столетова, указанная на фиг.1, аппроксимируется функцией вида g(x)=0,234+exp(0,037x)*sinx/1,306x в диапазоне аргумента [-2,15≤х≤+4,25] для определенного ферромагнетика с указанными на рис.1 параметрами.
max
min
min
max
1
2
М
max
уст
М
max
min
1/2
2
Для энергетических устройств [2], как показывают оценки, следует применять ферроматериалы с постоянными магнитной вязкости порядка 0,07…0,15 мс. Применительно к таким ферромагнетикам измерительный прибор рассматриваемого типа должен производить измерения интервалов времени Δt в диапазоне 0,05…0,2 мс с погрешностью не хуже 1 мкс. Поэтому частота следования счетных импульсов в высокочастотном генераторе счетных импульсов 12 может быть выбрана порядка 1 МГц или более. При этом она делится, например, в 100000 раз, так что частота запускающих импульсов будет равна 10 Гц, что позволяет автоматизировать измерительный процесс, накапливать данные об измерениях, статистически усреднять их для увеличения точности результата измерений. Длительность импульсов намагничивания ферромагнетика до его глубокого насыщения может составлять величину около 2 мс (скважность следования импульсов равна 50). Если перепад относительной магнитной проницаемости µ/µ, как видно из фиг.1, составляет около 20, то соответствующий перепад частот генерируемых колебаний будет равен (20)=4,47. Учитывая относительно высокую максимальную относительную магнитную проницаемость (около 1000), минимальную частоту колебаний в высокочастотном генераторе 4 следует выбирать не очень высокой, например f=200 кГц, так что f≈900 кГц. Фиксированную частоту f высокочастотного компаратора 9 следует выбирать среди диапазона 300-400 кГц, а фиксированную частоту f высокочастотного компаратора 10 - в диапазоне 750-800 кГц. Если постоянная времени магнитной системы τ может составлять около 0,05 мс, то время установления максимальной частоты f в высокочастотном генераторе 4 может составлять Δt=2,2(τ+τ)=2,2[(0,05…0,2)+0,05]=0,22…0,55 мс. Следовательно, скорость частотной перестройки в высокочастотном генераторе 4 достигает величин df/dt=700 кГц/(0,22…0,55) мс=3,18…1,27 ГГц/с. Согласно теории автоматического управления полоса пропускания Δf высокочастотных компараторов 9 и 10 для их нормальной работы должна быть выбрана из условия Δf=df/dt, то есть для указанных скоростей частотной перестройки она равна Δf=56,39…35,64 кГц. Так, если выбрать Δf=35 кГц, то частотный диапазон в 700 кГц разбивается на n дискретов, где n=(f-f)/Δf=700/35=20. Отсюда следует, что при n=20 интервал времени 0,55 мс дискретизирован по времени через 0,55 мс/20=27,5 мкс, что при принятой погрешности отсчета интервала времени Δt в 1 мкс означает, что полосу пропускания в высокочастотных компараторах следует снизить до величины 35 кГц*1 мкс/27,5 мкс=1,27 кГц. Это вызывает необходимость применения в высокочастотных компараторах 9 и 10 не традиционных LC-полосовых фильтров, а дифференциальных фильтров с кварцевыми резонаторами (с добротностью фильтров более 500) с запоминанием и накоплением информации. Аналогичные фильтры разработаны автором [3, 4] для их использования в быстродействующих анализаторах спектра радиосигналов.
м
Отметим, что датчик Холла 14 может быть постоянно введен в зазор между полюсом магнитной системы 5 и ферритовым кольцом 1, поскольку тонкопленочный датчик не мешает работе прибора. Это позволяет повысить точность производимых измерений при усреднении серии результатов измерений, включая и периодические измерения постоянной времени τ магнитной системы 5. При этом индикатор магнитного поля 15 может быть выполнен с применением дискретных методов оценки времени нарастания магнитного поля по сигналам с датчика Холла 14.
Заявляемый способ измерения магнитной вязкости представляет интерес для разработчиков ферромагнитных материалов с требуемыми свойствами - большой максимальной относительной магнитной проницаемостью, минимально возможной величиной магнитного поля глубокого насыщения с максимально большим перепадом относительной магнитной проницаемости при работе на участке кривой Столетова, где dµ/dH<0, и с требуемой величиной магнитной вязкости.
Литература
1. О.Ф.Меньших. Магнитовязкий маятник. Патент РФ № 2291546, опубл. в бюлл. № 1 от 10.01.2007.
2. О.Ф.Меньших. Ферромагнитовязкий ротатор. Патент РФ № 2309527, опубл. в бюлл. №30 от 27.10.2007.
3. О.Ф.Меньших. Способ анализа спектра сигналов. Авт. свид. СССР № 470758, 1972 г.
4. О.Ф.Меньших. Устройство для анализа спектра сигналов. Патент РФ № 2040798, 1992 г.