Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния и проблемы измерений магнитных характеристик материалов магнитных систем вакуумных коммутирующих устройств 11
1.1 Краткая характеристика вакуумных коммутирующих устройств 11
1.2 Основные характеристики материалов магнитных систем 13
1.2.1 Основные физические характеристики магнитных материалов 13
1.2.2 Анализ магнитных характеристик материалов 15
1.2.3 Анализ свойств и методов измерения магнитных характеристик электротехнической стали 26
1.3 Выбор метода измерения магнитных характеристик электротехнической стали 43
1.4 Общая характеристика и анализ типов измерительных преобразователей магнитных величин 45
1.5 Анализ современного состояния средств измерений магнитных характеристик 53
Глава 2 Исследование и развитие индукционного метода измерения статических магнитных характеристик материалов магнитных систем вакуумных коммутирующих устройств 57
2.1 Анализ нормативно - технической документации в области измерений магнитных характеристик электротехнической стали 57
2.2 Разработка алгоритмов измерений статических магнитных характеристик 61
2.2.1 Разработка алгоритма определения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса в коммутационном режиме 62
2.2.2 Разработка алгоритма определения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса в ступенчатом режиме 66
2.3 Результаты экспериментальных исследований магнитных свойств электротехнической стали 69
2.4 Анализ и оценка влияния скорости перемагничивания на статические магнитные характеристики электротехнической стали 76
2.5 Разработка требований к измерительной установке 81
Глава 3 Разработка автоматизированной измерительной установки для измерений статических магнитных характеристик электротехнической стали 87
3.1 Разработка обобщенной структурной схемы измерительной установки 87
3.2 Разработка измерительных преобразователей для измерений магнитных характеристик электротехнической стали 90
3.2.1 Разработка и расчет проходного наружного измерительного преобразователя для прямолинейных образцов стали 91
3.2.2 Моделирование режимов работы наружного проходного измерительного преобразователя для исследований прямолинейных образцов электротехнической стали 95
3.2.3 Разработка, расчет и моделирование проходного наружного измерительного преобразователя для кольцевых образцов электротехнической стали 102
3.3 Разработка блока задания тока 108
3.4 Разработка блока измерения магнитного потока 111
3.5 Определение количества точек аппроксимации для построения петли гистерезиса 115
3.6 Разработка программного обеспечения измерительной установки 124
Выводы по главе 3 129
Глава 4 Метрологическое обеспечение процесса изготовления магнитной системы вакуумных коммутирующих устройств 130
4.1 Анализ основной погрешности измерительной установки для измерений магнитных характеристик электротехнической стали 130
4.2 Анализ дополнительной погрешности измерительной установки для измерений магнитных характеристик электротехнической стали 141
4.3 Использование МИУ-1 для оптимизации технологического процесса вакуумной термообработки электротехнической стали 148
4.4 Применение индукционного метода для исследования магнитных и физико-механических свойств деталей сложной геометрической формы 151
Выводы по главе 4 157
Заключение 158
Список литературы 160
Приложение А
- Основные характеристики материалов магнитных систем
- Разработка алгоритмов измерений статических магнитных характеристик
- Разработка измерительных преобразователей для измерений магнитных характеристик электротехнической стали
- Анализ дополнительной погрешности измерительной установки для измерений магнитных характеристик электротехнической стали
Введение к работе
Актуальность работы. Быстрое развитие наукоемких отраслей промышленности, формирование новых направлений научных исследований требуют опережающего совершенствования существующих средств измерений (СИ) различных физических величин.
Заметную долю в общем объеме измерительных операций в электронной и электротехнической промышленности, в ходе научных исследований в области материаловедения, составляют измерения магнитных характеристик и параметров магнитных материалов, а также изделий из них. Такие измерения необходимо проводить, в частности, при разработке новых типов радиоэлектронной аппаратуры и аппаратуры средств связи, в состав которых входят различные электромагнитные и индуктивные устройства, например, вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ).
ВКУ являются изделиями специального назначения и широко используются в радиотехнических объектах в качестве коммутирующих элементов. Областью применения ВКУ является стационарная и бортовая аппаратура связи, комплексы радиоэлектронного противодействия РЛС и другие радиотехнические объекты для переключения антенных цепей, отводов катушек высокочастотных резонансных контуров, конденсаторов высокочастотных цепей в антен но-согласующих устройствах в режиме бестоковой коммутации [22, 52].
Практически все ВКУ различных конструктивных исполнений содержат в своем составе магнитную систему в виде магнитопровода. Основные коммутационные параметры, а также надежность ВКУ зависит от магнитных и, в меньшей степени, от физико-механических свойств, используемой в магнито-проводе специальной электротехнической стали. Несоответствие магнитных характеристик и параметров электротехнической стали требованиям, указанным в нормативно-технической документации, вызывает брак в производстве ВКУ, что влечет за собой значительные финансовые потери.
Состояние проблемы. Задачи интенсификации производства, повышение уровня метрологического обеспечения производства ВКУ требуют создания новых и совершенствования имеющихся СИ. Решить эти задачи комплексно только с помощью стандартных приборов практически невозможно, так как образовался разрыв между новыми разработками самих магнитных материалов, появлением новых задач измерений магнитных характеристик и контроля физико-механических свойств и устаревшими однопараметрическими средствами измерений соответствующих характеристик и параметров магнитных материалов. Магнитные характеристики электротехнической стали, как при разработке, так и в процессе технологического контроля при их изготовлении зачастую измеряются морально устаревшими приборами с низкой степенью автоматизации. Существующие приборы не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СИ либо по числу измеряемых магнитных характеристик, либо по пределам измерения, форме и размерам исследуемых образцов, по быстродействию, по точности и т.д.
В связи с ужесточением требований к качеству ВКУ возникла необходимость повышения точности измерений магнитных характеристик стали и увеличения объема информации о ее свойствах. Эту задачу можно решить путем разработки и внедрения в производство автоматизированных, многофункциональных, быстродействующих и высокоточных средств измерений, основанных на использовании современных достижений микроэлектроники и вычислительной техники.
Наиболее значимые результаты в создании теории и практики данного научного направления получены коллективами под руководством Антонова В.Г., Кифера И.И., Клюева В.В., Ломтева Е.А., Чечерникова В.И., Че-чуриной Е.Н., Шатерникова В.Е. и др.
Актуальность решения поставленных вопросов и обусловила постановку данной работы.
Целью диссертационной работы является разработка способов и обладающих повышенной точностыо и быстродействием многофункциональных средств измерений магнитных характеристик электротехнической стали.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:
анализ объекта исследования, выбор информативных параметров и определение требований к точности средств измерений магнитных характеристик;
анализ и систематизация методов измерений магнитных характеристик электротехнической стали с целью выявления и развития наиболее перспективного метода;
разработка алгоритмов измерений магнитных характеристик электротехнической стали;
разработка конструкции и моделирование работы измерительных преобразователей магнитных величин, расчет технических параметров и выбор способа обработки измерительного сигнала;
теоретическое обоснование технических решений основных узлов разрабатываемого СИ, обеспечивающих требуемые эксплуатационные параметры и метрологические характеристики;
метрологический анализ и техническая реализация автоматизированного средства измерений магнитных характеристик.
Методы исследований базируются на положениях теории электрических цепей, теории погрешностей, теории вероятностей и математической статистики, математического анализа. Теоретические исследования проводились с использованием сред моделирования MathCAD и Excel.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1 Обоснованы перспективность и дальнейшее развитие индукционно-импульсного метода, позволяющего измерять магнитные характеристики с коммутационным и ступенчатым режимами изменения магнитного поля.
Предложена методика определения необходимого количества точек аппроксимации для построения статической петли гистерезиса с заданной достоверностью на основе метода получения устойчивых оценок Вальда или Бар-летта и критерия достоверности Фишера.
Для прямолинейных и кольцевых образцов электротехнической стали получено уравнение связи между коэрцитивной силой и напряженностью магнитного поля, соответствующей индукции технического насыщения. Уравнение связи позволяет получить предельную петлю гистерезиса без проведения дополнительных измерений.
Разработаны алгоритмы автоматизированного измерения магнитных характеристик и автоматизированная измерительная установка, реализующая эти алгоритмы.
Практическая значимость.
Использование разработанных измерительных преобразователей магнитных величин позволяет автоматизировать процесс измерений магнитных характеристик стали и повысить его точность.
Разработана и внедрена в технологический процесс изготовления вакуумных коммутирующих устройств методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик электротехнической стали.
На основе разработанных алгоритмов измерений магнитных характеристик и предложенных технических решений разработана автоматизированная измерительная установка, позволяющая измерять магнитные характеристики электротехнической стали и контролировать ее физико-механические свойства.
Реализация работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанной методике выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик электротехнической стали, согласованной представительством заказчика Министерства обороны Российской Федерации и в измерительной установке МИУ-1 для измерений магнитных характеристик электротехнической стали.
Измерительная установка МИУ-1 внедрена в технологический процесс изготовления ВКУ в ФГУП «НИИ электронно-механических приборов», применяется для измерений магнитных характеристик трансформаторной стали в ЗАО «Пензенская горэлектросеть», для исследований магнитных свойств аморфного магнитомягкого микропровода в ООО «НПП Вичел», внедрена в процесс обучения студентов по специальности «Электрические и электронные аппараты» Пензенского государственного университета.
На защиту выносятся;
Алгоритмы процесса автоматизированного измерения магнитных характеристик электротехнической стали для образцов прямолинейной и кольцевой формы.
Методика определения количества точек аппроксимации для построения статической петли гистерезиса, позволяющая на основе метода получения устойчивых оценок Вальда или Барлетта оптимизировать процесс интерполяции зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля.
Комплекс рекомендаций по исполнению измерительных преобразователей для исследований образцов электротехнической стали, в максимальной степени адаптированных к решению измерительных задач, типичных для данного класса магнитных материалов.
Уравнение связи между коэрцитивной силой электротехнической стали и напряженностью поля, соответствующей индукции технического насыщения, позволяющего получить предельную петлю гистерезиса без проведения дополнительных измерений.
Способ определения магнитных и физико-механических свойств миниатюрных образцов электротехнической стали со сложной геометрической формой на основе индукционного метода.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы обсуждались на: XXII научно-технической конференции «Наукоемкие проекты и высокие технологии производству XXI века» (Пенза, 2003); Международной научно-технической
конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2004); Международной научно-технической конференции «Высокочистые материалы функционального назначения» (Суздаль, 2004); Международной научно-технической конференции «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (Пенза, 2005); Международном Симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2006); III Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2006).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 печатные работы в журналах, рекомендуемых ВАК, 5 печатных работ без соавторов.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 167 листах. Список литературы включает 94 наименования.
Основные характеристики материалов магнитных систем
Для изучения магнитных свойств электротехнической стали целесообразно провести анализ физических характеристик магнитных материалов.
Основным документом, устанавливающим терминологию в области магнитных материалов, является ГОСТ 19693-74 Материалы магнитные. Про цессы, происходящие в магнитных материалах характеризуются следующимимагнитными величинами: магнитной индукцией В, магнитным потоком Ф, намагниченностью J и напряженностью магнитного поля Н. Процессы в электрических цепях, содержащих магнитную систему, характеризуются электрическими величинами: током /, напряжением Uvi электродвижущей силой (ЭДС) е.
Магнитное состояние вещества в магнитном поле характеризуется намагниченностью J (А/м), представляющей собой векторную сумму магнитных моментов элементарных носителей магнетизма в единице объема, которая является функцией напряженности намагничивающего поля И [2]:где х - магнитная восприимчивость (безразмерная величина).
Под действием внешнего магнитного поля в материале создается внутреннее поле. Результатом взаимодействия внешнего и внутреннего полей является суммарное поле, силовой характеристикой которого является магнитная индукция В. Магнитная индукция, являясь функцией напряженности магнитного поля, определяется выражением [8]:где и, - относительная магнитная проницаемость материала и показывает спо собность материала намагничиваться в магнитных полях [18]; до = 4л;-10"7 ммагнитная проницаемость вакуума.
Количественной характеристикой магнитного поля является напряженность, создаваемая в данной точке элементом проводника dl с током і [37]:где г радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в рассматриваемую точку.
Поток вектора магнитной индукции Ф (магнитный поток) характеризует магнитное состояние поля, окружающего магнитные тела, и самих намагничен ных объектов. Магнитный поток равен интегралу вектора магнитной индукциипо некоторому замкнутому контуру L [62]:где S - площадь контура.
Между указанными магнитными и электрическими величинами существует связь, которая описывается следующими уравнениями [24,25]:витков обмотки измерительной обмотки контура.где кн - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров намагничивающей обмотки или намагничивающего устройства.
Основной характеристикой магнитомягких материалов является зависимость между векторами индукции или намагниченности и вектором напряженности магнитного поля В(Н) или J(H). Эти зависимости не имеют точного аналитического выражения и определяются экспериментально [2]. Для электротехнической стали кривые В(Н) и J{H) до напряженности магнитного поля 100-Ю2 А/м практически совпадают [21].
Магнитные свойства материалов описываются статическими и динамическими магнитными характеристиками. Статические магнитные характеристики (СМХ) измеряются при воздействии на материал постоянным магнитным полем [54], при этом используется следующая терминология.
Состояние технического насыщения - намагниченность магнитного материала, равная самопроизвольной намагниченности составляющих его доменов и достигаемая при такой напряженности намагничивающего поля, увеличение которой не приводит к существенному увеличению намагниченности.
Размагничивание - процесс, в результате которого намагниченность магнитного материала уменьшается до нуля под воздействием температуры выше точки Кюри [8] или внешнего магнитного поля.
Размагниченное состояние - состояние магнитного материала, при котором значение его намагниченности равно нулю.
Статически размагниченное состояние - состояние, полученное намагничиванием магнитного материала до такого значения внешним равномерно изменяющимся магнитным полем, что при удалении последнего намагниченность становится равной нулю.
Основная кривая намагничивания и ее параметры. Основной кривой намагничивания называется зависимость магнитной индукции предварительно размагниченного магнитного материала от напряженности намагничивающего поля, полученная при возрастании напряженности поля от нуля до значения, соответствующего состоянию технического насыщения материала [63].
Основная кривая намагничивания, полученная на статически размагниченных материалах способом коммутаций намагничивающего поля, называется коммутационной. В современных автоматизированных установках основная кривая намагничивания определяется в постоянном поле при его коммутационном, ступенчатом или непрерывном изменении[2].Основными магнитными параметрами, которые определяются по основной кривой намагничивания, являются: начальная, максимальная, абсолютная, дифференциальная магнитные проницаемости, индукция технического насыщения.
Абсолютная магнитная проницаемость представляет собой коэффициент пропорциональности, определяемый как отношение магнитной индукции к напряженности поля в любой точке основной кривой намагничивания [2, 54, 62]:Начальную и максимальную магнитные проницаемости целесообразно рассмотреть исходя из анализа процессов намагничивания и размагничивания.
Намагничивание магнитных материалов характеризуется процессом смещенияграниц доменов и процессом вращения вектора намагниченности доменов. При наложении внешнего поля весь процесс будет осуществляться за счет смещения границ областей самопроизвольной намагниченности (рисунок 1.1, а). При напряженности магнитного поля Н\ (рисунок 1.1,6) области, направленные вдоль поля, значительно расширены за счет областей, в которых магнитные моменты антипараллельны полю и при напряженности поля Н2 (рисунок 1.1, в) эти области полностью исчезают.
На основной кривой намагничивания можно выделить (рисунок 1.2) области начального намагничивания /, максимальной проницаемости // и область технического насыщения ///, которым соответствуют процессы обратимого и необратимого смещения границ между областями самопроизвольной намагниченности [7, 8,20, 21].
Разработка алгоритмов измерений статических магнитных характеристик
В качестве метода измерений СМХ выбран индукционно-импульсный метод, так как данный метод регламентируется требованиями НТД [76, 77]. Рассматривая в первой главе особенности индукционно-импульсных методов измерения, было отмечено, что они различаются способами изменения магнитного потока. Способ активного изменения магнитного потока предполагает использование ручных операций либо применения дополнительных электроприводов для механического перемещения образца или измерительной катушки. Однако, применение такого способа представляется неперспективным в силу усложнения схемы, повышения стоимости прибора, появления дополнительных погрешностей и необходимости экранирования электроприводов. Кроме того, исследуемый образец может подвергаться механическим воздействиям, которые могут привести к изменению его магнитных свойств.
Индукционно-импульсный метод с пассивным изменением магнитного потока предполагает программно-аппаратный способ изменения напряженно сти мапіитного поля. Данный метод является наиболее предпочтительным дляприменения в разрабатываемой СИ магнитных характеристик, так как современная элементная база позволяет разрабатывать устройства, реализующие автоматизированный процесс установки и изменения напряженности поля.
Исследование магнитных свойств электротехнической стали предлагается проводить только на кольцевых и прямолинейных образцах. Исследование листовых образцов является неэкономичным, так как требуется большое количества материала для изготовления образца. Кроме того, кольцевые и прямолинейные образцы могут быть изготовлены из листовых заготовок.
На основе разработанной автором методики выполнения измерений (МВИ) при определении статических магнитных характеристик электротехнической стали, согласованной представительством заказчика Министерства обороны Российской Федерации и внедренной в технологический процесс изготовления ВКУ, разработаны алгоритмы определения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса в коммутационном и ступенчатом режимах.
Разработанная МВИ приведена в приложении А диссертационной работы.Построение основной кривой намагничивания в коммутационном режиме заключается в измерении приращений магнитного потока при изменении напряженности поля от какого-либо значения +#, до значения -Я, при десятикратном изменении направления намагничивающего тока.
Построение петли гистерезиса происходит путем измерения приращений магнитного потока при изменении напряженности поля от какого-либо установленного значения +Н( до значения напряженности -Hs.
Разработанный алгоритм определения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса в коммутационном режиме, позволяющий автоматизировать процесс измерения, представлен на рисунке 2.2.
Определение основной кривой намагничивания производится на предварительно размагниченном образце, т.е. остаточная индукция должна быть равна нулю [28]. Процесс размагничивания начинается с создания такой напряженности магнитного поля, которая была бы не меньше значения напряженности поля, соответствующей остаточной индукции для данного образца.
Однако априорно такая информация отсутствует, т.к. остаточная намагниченность колеблется от образца к образцу в широких пределах. Поэтому, чтобы процесс размагничивания был эффективен, предлагается его начинать с наложения на образец напряженности Hs, соответствующей индукции технического насыщения (блок 1). Процесс размагничивания заключается в коммутировании постоянного тока при непрерывном уменьшении его величины Is до нуля (блок 2). Между током /j и напряженностью Н3 существует следующая зависимость:а) при исследовании кольцевых образцов [77]:где Д„ Ц, - соответственно наружный и внутренний диаметр образца;б) при исследовании прямолинейных образцов, намагничиваемых в соленоиде [40]:где Кс - постоянная соленоида, мЛ
Определение основной кривой намагничивания производится с меньших значений напряженности, а затем, последовательно в полях большей напряженности (от +#t до +#s, рисунок 1.3). На образец накладывается наименьшая напряженность магнитного поля Ни для этого намагничивающий ток изменяется от нуля до значения /] (блок 3). Зависимость между током /] и напряженностью Н\ описывается для кольцевых образцов формулой (2.1), а для прямолинейных формулой (2.2). Для перехода к очередной точке основной кривой намагничивания происходит десятикратное переключение направления намагничивающе го тока, соответствующего определенному значению напряженности магнитного поля, в точке Н\ происходит переключение тока от /] до -7 (блок 4). Затем снова необходимо переключить ток от 1\ до -/] и измерить приращение магнитного потока АФі (блок 5). Коммутация тока позволяет стабилизировать магнитное состояние образца, то есть исключить влияние вихревых токов и добиться в итоге равных по модулю значений Ф и -Ф]. Далее устанавливается напряженность #2 происходит коммутация намагничивающего тока /2, измерение приращения магнитного потока ЛФ2 и так далее до значения напряженности Я (блок 6).
Магнитная индукция в каждой точке основной кривой намагничивания (блок 7) рассчитывается по формуле [76]:а) при исследовании кольцевых образцов:где S- площадь поперечного сечения образца;б) при исследовании прямолинейных бразцов [76]:где SKK - площадь поперечного сечения измерительной катушки.
Основная кривая намагничивания определяется по устанавливаемым в ходе измерения значениям напряженности и вычисленным значениям магнитной индукции (блок 8).
Далее начинается этап определения предельной петли гистерезиса. Вследствие симметрии петли, на рисунке 2.1 показаны алгоритм измерения только на участке (А, В„ -На -А), так как соответствующие точки второй половины отличаются только знаками магнитной индукции и напряженности поля при той же абсолютной величине (рисунок 1.3), поэтому вторая половина петли па участке {-А, -Вп +ЯЙ А) определяется аналогично. Построение предельной петли гистерезиса происходит, начиная с вершины петли (точка А) - последняя измеренная точка основной кривой намагничивания (образец находится под
Разработка измерительных преобразователей для измерений магнитных характеристик электротехнической стали
В параграфе 1.4 установлено, что наиболее перспективными для применения в ИУ являются пассивные индукционные ИП проходного типа. С помощью таких ИП можно осуществить массовый контроль образцов электротехнической стали, а также получить интегральную оценку измеряемых параметров по периметру образцов. К достоинствам таких преобразователей относится отсутствие контакта между ИП и образцом, на сигналы ИП такого типа практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнения поверхности образца непроводящими веществами. Данные ИП устойчивы к атмосферным и механическим воздействиям и являются надежными преобразователями [48].
Среди индукционных пассивных ИП предлагается использовать проходные наружные ИП с однородным магнитным полем в зоне рабочего объема (рисунок 1.8). Эти преобразователи в наибольшей степени отвечают требованиям нормативной документации [76, 77] и сформулированным во второй главе требованиям к ИП. Такие ИП могут использоваться для исследований однослойных и многослойных кольцевых и прямолинейных образцов прямоугольного и круглого сечения, в том числе и полос. Конструкция проходных наружных ИП позволяет избежать ручной намотки на образец намагничивающей и измерительной обмоток.
Для исследований прямолинейных образцов стали разработан ИП, который состоит из многослойного намагничивающего соленоида /, позволяющего получить стационарное магнитное поле до 80000 А/м и измерительной катушки 2, помещенной внутрь соленоида (рисунок 3.2).
Соленоид представляет собой диэлектрический каркас, на который наматывается намагничивающий провод в виде спирали. Конструкция соленоида должна иметь размер его внутреннего цилиндрического рабочего объема, достаточный для исследований прямолинейных образцов стали. Минимальная длина соленоида при максимальных размерах зоны однородного (в заданных пределах) магнитного поля обеспечивается внутренним d\ и внешним fife диаметрами, числом слоев п и витков w обмотки.
Технические параметры соленоида необходимо рассчитать так, чтобы обеспечить максимальные значения напряженности магнитного поля, достаточные для намагничивания исследуемых образцов до насыщения; обеспечить однородность намагничивания всего объема образца и других требований, сформулированных во второй главе. Для выполнения вышеизложенных условий необходим расчет соответствующих максимальных значений намагничивающего тока, напряжения, рассеиваемой мощности, размеров соленоида, диаметра провода обмотки, числа витков и другие технические параметры ИП.
В параграфе 2.4 для прямолинейных образцов электротехнической сталиэкспериментально получено уравнение связи: Hs 200 Нс. Так как соленоидом осуществляется продольное намагничивание образца, то при этом сказывается влияние размагничивающего фактора [2]. Поэтому истинная напряженность магнитного поля, действующая в образце, меньше напряженности внешнего поля, поскольку на краях образца разомкнутой формы, находящегося во внешнем магнитном поле образуются полюса, создающие внутри образца магнитное поле обратного направления по отношению к внешнему полю. Размагничивающее поле #о направлено навстречу внешнему полю и пропорционально намагниченности J [63]:где N - коэффициент размагничивания (безразмерный).
Для прямолинейных однородно намагниченных образцов формула расчета коэффициента N имеет вид [40]:где 5Д, 10 - соответственно, площадь и длина прямолинейного образца.Значение площади д образцов круглого сечения, вычисляется по формуле [77]:D - среднее значение диаметра образца.Площадь поперечного сечения образцов прямоугольной формы вычисляется следующим образом [77]:где a, h - соответственно ширина и высота образца. скорректированная формула для расчета напряженности магнитного поля, соответствующей состоянию технического насыщения Hs для прямолинейных образцов примет вид: Основным техническим параметром ИП является максимальное значеіние намагничивающего тока Is, необходимого для создания напряженности Hs Между током /„ и напряженностью Hs существует следующая зависимость:где Кс - постоянная соленоида, м .
Постоянная соленоида определяется по формуле [40] (3.7) где /с - длина обмотки соленоида; г\, Гг - соответственно внутренний и наружный радиусы обмотки соленоида.Наружный радиус обмотки определяется диаметром обмоточного провода d и количества слоев обмотки л:Число витков w, необходимое для создания поля Hs вычисляется по следующей формуле [40]:где к? - коэффициент заполнения, равный отношению площади поперечного сечения исследуемого образца к площади измерительной обмотки.Площадь поперечного сечения катушки Sm вычисляется как площадь круга или прямоугольника [77] по соответствующим формулам 3.4, 3.5. где р = 1,7 10 Ом-м - удельное сопротивление для меди.Для рассчитанных по формулам (3.6), (ЗЛО) намагничивающему току /s и сопротивлению обмотки R по закону Ома [37, 50] определяется соответствующее значение питающего намагничивающую обмотку напряжения Us.
Рассеиваемая в обмотке мощность рассчитывается по следующей формуле [37, 50]:лый цилиндрический каркас из капролона, на который наматывается измерительная обмотка.В целях устранения влияния немагнитного пространства измерительной катушки площадь ее поперечного сечения не должна превышать площадь поперечного сечения образца более чем в два раза. При выполнении данного условия можно считать, что катушка находится в поле на поверхности образца [76].
Размеры измерительной катушки определяются размерами образца и соленоида, однако необходимо учесть, чтобы магнитное поле образца в месте, занимаемое катушкой, было однородным.
Для окончательного выбора оптимальных конструктивных и электрических параметров соленоида и измерительной катушки, оценки влияния каждого фактора на работу ИП, необходимо провести компьютерное моделирование работы соленоида и измерительной катушки с разными характеристиками и параметрами. Это позволит исключить ошибки в изготовлении ИП, избежать неоправданных затрат материала, труда и времени.
Анализ дополнительной погрешности измерительной установки для измерений магнитных характеристик электротехнической стали
Измерительные преобразователи, входящие в состав ИУ являются источниками электромагнитного и теплового излучения, которые при определенных условиях могут повлиять на метрологические характеристики установки.
Электромагнитное излучение ИП приводит к появлению электромагнитных помех (ЭМП), которые отрицательно влияют как на работу электронного блока ИУ и других электрических устройств, так и на здоровье оператора [85]. В Российской Федерации разработана и действует целая система нормативных актов и документов, отечественных и международных стандартов в области электромагнитной совместимости СИ и электромагнитной безопасности среды, которая регламентирует допустимые нормы воздействия электромагнитного поля на СИ и окружающую среду [83 - 85]. Для того, чтобы разработанная ИУ отвечала требованиям НТД по уровню создаваемых ЭМП, необходимо провести соответствующие экспериментальные исследования.
Характеристики и уровни ЭМП существенно зависят от условий эксплуатации, вида магнитной цепи, типа и конструкции ИП [85]. В разомкнутой магнитной цепи магнитный поток намагниченного образца замыкается через среду (воздух) с магнитной проницаемостью, значительно меньшей, чем магнитная проницаемость материала образца [2]. Примером ИП с разомкнутой магнитной цепью является разработанный в разделах 3.2.1, 3.2.2 проходной наружный ИП для исследований прямолинейных образцов электротехнической стали.
В замкнутой магнитной цепи отсутствуют участки из материала с магнитной проницаемостью, меньшей, чем проницаемость материала образца [2]. Примером ИП с замкнутой магнитной цепи является разработанный в разделе 3.2.3 проходной наружный ИП для исследования кольцевых образцов.
На основе данных определений можно сделать вывод, что основным источником ЭМП является ИП для прямолинейных образцов электротехнической стали, так как магнитное поле, создаваемое соленоидом, замыкается в окружающем его пространстве.
Исследование уровней и рельефа ЭМП сводится к сканированию пространства вблизи ИП с помощью измерительного зонда, с закрепленным в основании преобразователем магнитного поля в виде элемента Холла. Зонд устанавливается на специальном приспособлении, позволяющем перемещать пре образователь на необходимое расстояние в заданном направлении, например,вдоль осей X и Y. В каждой паре фиксируемых точек окружающего пространства вокруг соленоида регистрируется значение магнитной индукции. Топография силовых линий магнитного поля в пространстве вокруг соленоида представлена на рисунке 4.7.
Согласно рисунку 4.7 наибольшее значение индукции магнитного поля наблюдается по краям соленоида (более 15 мТл), на расстоянии 50 мм от поверхности соленоида магнитное поле не превышает 5 мТл.
Для исследований уровней ЭМП, создаваемых ИП для кольцевых образцов стали, были проведены аналогичные экспериментальные исследования. В результате было установлено, что на расстоянии 10 мм от поверхностей ИП магнитная индукция не превышает 2 мТл.
Таким образом, на основе проведенных экспериментальных исследований были определены основные условия выполнения измерений СМХ электротехнической стали с помощью МИУ-1 в целях обеспечения требований по электромагнитной совместимости СИ, указанных в [83 - 85]. Для выполнения этих требований соленоид должен находиться на расстоянии не менее 50 мм от one ратора и других СИ, а ИП для кольцевых образцов - на расстоянии не менее
При измерении магнитных характеристик образцов электротехнической стали следует учитывать действие внешних магнитных полей и магнитного поля Земли с напряженностью от 33 до 55 А/м и магнитной индукцией от 45 до 70 мТл [91]. Следовательно, для исключения влияния внешних полей на результат измерений необходимо ориентировать ИП определенным образом по отношению к магнитному меридиану. Также необходимо создавать условия, в которых влияние магнитного поля Земли и его вариаций, а также посторонних магнитных полей было бы минимальным. Последнее условие достигается тем, что измерения выполняются в помещении, защищенным от транспортных и промышленных помех.
Для исключения влияния магнитного поля Земли при проведении измерении соленоид следует располагать по оси запад-восток. Кроме того, в ПО предусмотрен повторный цикл определения петли гистерезиса по разработанным в параграфе 2.2 алгоритмам измерений СМХ, но при обратном направлении тока в намагничивающей обмотке ИП. Координаты петли гистерезиса вычисляются как среднее арифметическое двух значений, полученных при различных направлениях тока в намагничивающей обмотке ИП. Такие меры позволяют учесть влияние постоянной составляющей магнитного поля Земли на результаты измерений.
Расходуемая на перемагничивание электрическая энергия выделяется в виде тепла, что приводит к нагреванию ИП, а следовательно, и к изменению в процессе измерений температуры исследуемых образцов стали. Таким образом, в процессе измерений происходит процесс термоциклирования образцов электротехнической стали, при котором их магнитные характеристики могут заметно ухудшаться. Это явление называется магнитным старением [21]. Например, коэрцитивная сила может при этом возрастать на 20 - 30 % и более от первоначального уровня. Из вышесказанного вытекает задача исследования влияния процесса термоциклирования на изменение магнитных свойств образцов электротехнической стали.
Повышение температуры образцов приводит к изменению в химическом составе электротехнической стали, которое представляет собой сплав железа, кремния и различных примесей [21]. Химический состав некоторых марок электротехнических сталей приведен в таблице 4.3.Магнитное старение связано с присутствием в стали азота, углерода и других примесей, тогда как наличие кремния способствует замедлению процесса старения. Варьирование в определенных пределах химического состава стали позволяет изменять коэффициент Кст.Магнитное старение стали, например, по коэрцитивной силе, характеризуется соответствующим коэффициентом старения [21]:
