CC BY
72
2007
УДК 621.3.087.9
П.А. Курбатов, М.В. Присич
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ Нс В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
А ктуальность измерения Нс в производственных условиях достаточна высока.
-/л. Существующие методы и стандарты не подходят для измерения Нс в условиях массового производства и не позволяют проводить измерения Нс постоянных магнитов из магнитотвердых материалов сложной формы без изготовления специальных образцов. Известные методы измерения Нс основываются на использовании процессов намагничивания и размагничивания образца, чаще всего известной формы, помещенного в магнитное поле, созданное постоянным, или переменным, или импульсным током. Измерение параметров магнитотвердых материалов в импульсном магнитном поле предпочтительнее, если принять во внимание возникающие в процессе намагничивания/размагничивания вихревые токи, вносящие погрешность в процесс измерения. Для уточнения методики измерений создается математическая модель перемагничивания образца произвольной формы в импульсном магнитном поле с параметрами модели, определяемыми опытным путем с учетом вихревых токов. Установка контроля Нс в производственных условиях образцов произвольной формы из магнитотвердых материалов должна решить эту задачу. Для пояснения текущего положения дел в отрасли приводится нижеследующий обзор. Например, в ЗАО «НИИ интроскопии МНПО «Спектр»» (Россия) в 2001 г. использовался метод, основанный на процессе намагничивания (импульсами тока) образца, помещенного в электромагнит, размагничивания (со снятием «магнитной предыстории»), и приложении внешнего поля, компенсирующего остаточное поле образца. Датчик внешнего поля при э/м, имея напряжение, равное нулю, соответствует току компенсации в э/м, величина которого (тока) принимается за меру Нс материала образца. Здесь используется принцип ТАУ, согласно которому замкнутая цепь регулирования находится в равновесии при существовании некоторого напряжения рассогласования, которое пропорционально току компенсации э/м, который (ток) пропорционален остаточному магнитному полю образца.
В институте машиноведения Уральского отделения РАН в 2001 г. был предложен метод, основанный на использовании ярма определенной формы, в который вставляется магнит определенной формы, в цилиндрическое отверстие ярма соосно установлены магнитные узлы, выполненные с возможностью автономного вращения. Ярмо содержит шкалы отсчета углов поворота узлов с размещенными в них магнитами, причем шкалы проградуированы различно: одна - почасовой стрелке, вторая - против. При нулевом отсчете полюса магнитов в узлах совпадают; в изделии создается максимальный намагничивающий поток. Вращение узлов производится в направлении увеличения углов. В нижней части ярма закреплен преобразователь магнитного потока. Магнитные узлы выполнены с возможностью замены. С помощью рукоятки поворачивают один из магнитных узлов с магнитом на угол, обеспечивающий линейность зависимости угла поворота второго магнита от коэрцитивной силы изделий. Затем поворачивают второй узел с магнитом до тех пор, пока преобразователь не покажет отсутствие магнитного потока. Угол поворота второго узла будет соответствовать величине коэрцитивной силы изделия. Преобразователь магнитного потока установлен между ярмом и изделием. В машиностроении и горной металлургии используется феррозондовый коэрцитиметр, разработанный в Уральской государственной академии путей сообщения в 1998 г. Метод использовался на рельсосварочном поезде № 4 Свердловской железной дороги для определения качества термообработки металла зоны сварного стыка рельсовых плетей. Метод предполагает использование катушек намагничивания и размагничивания с компенсационной катушкой. Изделие намагничивают, затем размагничивают с помощью размагничивающей и компенсационной катушек. Суммарный магнитный поток - размагничивающий. Совместно с катушкой компенсации используется источник напряжения смещения. Они создают магнитный поток, встречный размагничивающему, который компенсирует влияние зазора между магнитопроводом и изделием. Итоговая погрешность измерения 0.8 % при вариации величины зазора до 0.6 мм в диапазоне изменения коэрцитивной силы от 370А/м до 2400А/м.
Хотя катушки размагничивания и компенсации включены встречно, поток от катушки компенсации гораздо меньше размагничивающего, и с помощью напряжения смещения компенсируют влияние величины зазора между полюсами магнитопровода и изделием в широком диапазоне измерения Нс. При достижении размагничивания контролируемого изделия, (что определяется феррозондом, питаемом от источника и блока напряжения смещения), измеряется величина тока размагничивания (миллиамперметром со шкалой, проградуированной в относительных единицах измерения коэрцитивной силы.), т.е. величина коэрцитивной силы.
В 2004 г. в Башкирской государственной аграрной академии был предложен метод, использующий П - образный сердечник с нам. и разм. обмотками и индикаторные элементы в виде двух ферромагнитных накопительных счетчиков с коэффициентами накопления противоположных знаков. Метод преследует цель снизить влияние зазора между торцами сердечника и изделием на точность измерения (имеется в виду равномерность касания торцов сердечника с поверхностью изделия). Когда обмотка обесточена, с элементов снимаются сигналы с соответственной частотой. Путем настройки зазора добиваются равенства этих частот и в итоге общий сигнал выхода схемы сравнения равен нулю, что свидетельствует о равномерности зазора. Изделие намагничивают кратковременным импульсом тока. Источники питания и записи сигналов на это время отключаются. После намагничивания частоты сигналов с элементов становятся соответственно больше и меньше на какую-то величину. Разность частот с выхода сравнивающего устройства зависит от величины остаточной индукции изделия. Значение тока размагничивания, при котором частота сигнала с выхода схемы сравнения принимает значение ноль, есть мера коэрцитивной силы. Изменение коэффициентов накопления на элементах в противоположных направлениях позволяет повысить чувствительность схемы вдвое и увеличить пределы измерения индукции и коэрцитивной силы изделия.
В институте прикладной физике АН Беларуси в 1990 г. был предложен способ измерения коэрцитивной силы ферромагнитных стержневых образцов в разомкнутой магнитной цепи. Он заключается в намагничивании образца до насыщения однородным магнитным полем одной полярности, размагничивании образца однородным магнитным полем другой полярности, измерении тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи центрального сечения образца, фиксации значения напряженности намагничивающего магнитного поля. Метод отличается тем, что, с целью повышения точности измерения, фиксацию значения напряженности намагничивающего магнитного поля осуществляют в момент равенства нулю тангенциальной составляющей напряженности размагничивающего магнитного поля.
В патенте 1991 г. Ульянова А.И., Захарова В.А., Мерзлякова Э.Ф., Воронова С.А. описан метод и установка измерения Нс контроля качества материалов и изделий. Приставное устройство коэрцитиметра устанавливают на контролируемый участок изделия, либо изделие устанавливают на полюса магнитопровода. В обмотку перемагничивания подают ток намагничивания от источника питания, после намагничивания изделия до технического насыщения ток намагничивания плавно выключают и в обмотку подают от источника питания ток противоположного по отношению к намагничивающему направления (размагничивающий ток), увеличивающийся во времени. В процессе размагничивания измеряют магнитное поле в пространстве между полюсами магнитопровода ПУ и обмоткой с помощью преобразователей по одному из двух вариантов. По первому варианту сигналы с измерителей поступают на блоки преобразования сигнала. Выходные напряжения этих блоков сравниваются между собой с помощью блока сравнения, а один из сравниваемых сигналов поступает на вход индикатора. При размагничивающем токе, равном нулю (состояние остаточного намагничивания системы магнитопровод - изделие), сигналы с преобразователей и блоков преобразования неодинаковы в силу резкой неоднородности магнитного поля в пространстве между полюсами магнитопровода, обмоткой ПУ и изделием. По мере увеличения размагничивающего тока и размагничивания изделия поле в указанном пространстве становится более однородным и при определенном значении тока размагничивания становится практически однородным по всему межполюсному пространству. В этом момент времени намагниченность контролируемого участка изделия становится равной нулю, а напряженность магнитного поля в исследуемой зоне (она же внутреннее поле в изделии) равна коэрцитивной силе материала изделия Нс (Н*). При этом сигналы с блоков (величины напряженности магнитного поля, измеряемые
преобразователями) становятся равными, на выходе блока сравнения появляется управляющий сигнал, по которому индикатор фиксирует значение напряженности магнитного поля, равное Hc. По второму варианту сигналы с преобразователей поступают на входы компаратора, а напряженность магнитного поля измеряется с помощью преобразователя и блока, сигнал с выхода которого (величина напряженности магнитного поля) поступает на индикатор. В момент, когда магнитное поле в исследуемом пространстве становится однородным, срабатывает компаратор и выдает сигнал на фиксацию напряженности магнитного поля Hc = H*.
Метод используется в машиностроении, металлургии, при научных исследованиях. Измерение и контроль можно производить при отсутствии непосредственного контакта между полюсами магнитопровода и изделием. Таким образом, известен ряд устройств и установок для измерений, которые включают феррозондовые коэрцитиметры (П - образный магнитопровод, намагничивающая обмотка, размагничивающая обмотка, источники питания, измеритель тока размагничивания, феррозонд и размещенная на нем компенсационная обмотка, источник питания феррозонда, источник регулируемого напряжения смещения). Известен коэрцитиметр на постоянных магнитах (ярмо с соосно установленными магнитными узлами с возможностью автономного вращения, шкалы отсчета углов поворота магнитов, преобразователь магнитного потока между ярмом и изделием), предложенный в 2001г.; устройство для измерения коэрцитивной силы ферромагнитных стержневых образцов (намагничивающий соленоид, микрометрическое устройство с миниатюрными преобразователями Холла, блок питания преобразователей, измерительный усилитель ЭДС Холла, регистрирующие приборы - цифровой вольтметр и двухкоординатный графопостроитель), предложенное в 1990 г.; приставное устройство коэрцитиметра,
предложенное в 1995 г. (П - образный магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием. Обмотка перемагничивания, измерители напряженности магнитного поля, расположенные между полюсами магнитопровода и обмоткой. Центр одного из измерителей расположен в нейтральной плоскости магнитопровода, а оси чувствительности обоих измерителей перпендикулярны указанной плоскости. Обмотка перемагничивания соединена с источником питания, измерители соединены с блоками преобразования сигналов. Выход одного из блоков соединен с входом блока сравнения и входом индикатора, выход второго блока - с вторым входом блока сравнения. Выход последнего соединен со вторым (управляющим) входом индикатора, выход которого является выходом устройства. По второму варианту преобразователи магнитного поля являются полуэлементами компаратора. Выход компаратора соединен с управляющим входом индикатора. Центр одного из полуэлементов расположен в нейтральной плоскости магнитопровода. Дополнительно введен измеритель напряженности магнитного поля, соединенный с блоком преобразования сигналов, выход которого соединен с первым входом индикатора. Центр измерителя расположен между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания. Оси чувствительности полуэлементов и магнитного компаратора и измерителя напряженности магнитного поля расположены перпендикулярно магнитной плоскости магнитопровода, в частном случае центры всех трех магнитных преобразователей могут располагаться в нейтральной плоскости магнитопровода). С 2001 г. известно устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, используемое при контроле качества металлоконструкций и их частей, деталей машин, параметров постоянных магнитов. Устройство содержит последовательно соединенные источник намагничивающего тока, коммутатор, электромагнит с датчиком поля, коммутатор, преобразователь «ток - напряжение», усилитель, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь. Устройство содержит первый и второй компараторы, сигнальные входы которых подключены к выходу усилителя, индикатор, источник опорных напряжений, последовательно соединенные усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени t, два усилителя, третий компаратор, линия задержки. Выход первого усилителя подключен к сигнальным входам второго коммутатора и первого и второго компараторов, выход преобразователя ток - напряжение подключен к управляющему входу цепочки с управляемой времени t. Вход второго усилителя соединен с выходом датчика поля электромагнита. Выход третьего усилителя подключен к сигнальному входу управляемого усилителя мощности. Сигнальный вход третьего коммутатора подключен к концу обмотки электромагнита. Первый и второй управляющие входы этого коммутатора соединены соответственно с управляющим выходом источника намагничивающего тока и четвертым выходом блока управления. Пятый выход блока управления соединен с управляющим входом установки уровней «min - max»
второго коммутатора, вход четвертого усилителя подключен к выходу второго усилителя. Выход линии задержки соединен с третьим входом индикатора и с управляющим входом АЦП, выход которого подключен к четвертому входу индикатора. С 2002 г. известен приставной ферромагнитный коэрцитиметр, содержащий П - образный сердечник с намагничивающей и размагничивающей обмоткой, индикаторный элемент в виде по меньшей мере одного ферромагнитного накопительного счетчика и сравнивающее устройство, отличающийся тем, что индикаторный элемент выполнен в виде двух ферромагнитных накопительных счетчиков с коэффициентами накопления противоположных знаков, установленных на боковых стержнях П - образного сердечника, выходы которых соединены с входом сравнивающего устройства, а намагничивающая, она же размагничивающая, обмотка установлена на среднем стержне.
В современных производственных условиях используются методы и установки для измерения Hc, которые соответствуют конкретным задачам по контролю качества продукции, т.е. зависящие от номенклатуры изделий, партий, состояния измерительной техники и используемых навыков и стандартов измерения. Например, на ОАО НПО «Магнетон» (г. Владимир) используется коэрцитиметр, состоящий из намагничивающей установки, создающей требуемое э/м поле, вольтметра, микроамперметра, рамки. Рамка ставится специальным образом в магнитном поле и соответствует форме образца. Для каждого типоразмера изделия предусмотрена своя рамка. Задача оператора измерений установить изделие в рамке таким образом, чтобы его оси симметрии совпадали с осями симметрии рамки. (Это делается для того, чтобы обеспечить равномерное распределение результирующего магнитного поля образца.) Изделие намагничивают в электромагните. Затем магнит помещают в рамку установки перемагничивания, замечая при этом произвольно выбранное направление перемагничивания по отклонению стрелки милливольтметра, потом (после установки некоего тока размагничивания) медленно повышают ток размагничивания, задавая тем самым более высокую напряженность магнитного поля размагничивания. Затем плавно - произвольно - подают поле размагничивающего направления. При этом изделие резко выдергивают из рамки, включая милливольтметр, стрелка которого показывает результирующее направление поля изделия. Момент, когда стрелка изменит направление отклонения, считается моментом полного размагничивания изделия и напряженность магнитного поля размагничивания, когда намагниченность изделия равна или приближена к нулевой, берется за меру коэрцитивной силы. По рассчитанной таблице определяется Hc, которая соответствует фиксированному току размагничивания. Недостаток данного метода в самопроизвольности задания поля размагничивания, ручной установке изделия в рамку и неопределенности момента выдергивания изделия из рамки, что позволяет лишь приблизительно судить о достоверности измеренной величины Hc и приводит к возможности появления значительной погрешности. Для более точного измерения требуется исключать человеческий фактор во время установки образца в рамку и во время задания соответствующего состоянию образца поля (тока размагничивания).
С другой стороны, автоматизация метода приводит к затратам, при том, что в производственных условиях требуется практичность и доступность измерений и не всегда ставится цель получения более точных результатов. Однако, при повышении требований к быстроте и достоверности измерений для массовых партий с увеличивающейся номенклатурой изделий, целесообразно поставить вопрос о применении более совершенного метода и устройства, которые позволят автоматизировать процесс задания поля перемагничивания и связать его с ориентацией образца в установке, что позволит контролировать состояние образца и снизит погрешность от неравномерности процесса перемагничивания. Известны зарубежные образцы измерительной техники, использующие современную аппаратуру оригинальные методы измерения. Они отличаются высокоточностным характером измерения, но затруднительны к применению в условиях современного российского производства. Например, известен метод измерения Hc, предложенный компанией Рэдклифф Магтроникс ЛТД (США) в 2001 г. для измерения коэрцитивности высокоэнергетичных редкоземельных магнитов при высоком быстродействии и высокой пропускной способности контроля. Магниты вначале полностью намагничиваются зарядным устройством от импульсной намагничивающей катушки. Потом магниты последовательно размагничиваются этим устройством через импульсную обмотку. Состояние намагниченности и напряженности
размагничивающего поля непрерывно отслеживается. При этом замечают текущую напряженность размагничивающего поля, когда намагниченность снижается до нуля- берется мера коэрцитивной силы. Аппаратура использует зонд Холла, тесламетр, систему обмоток с флюксметром для мониторинга состояния намагниченности, счетчик импульсов тока для мониторинга напряженности размагничивающего поля. Зонд Холла измеряет плотность потока
1 - измерительный канал (внешний); 2 -
измерительный канал
(внутренний); 3 -
механическая часть; ПБ -программный блок; БУ -блок управления; УЗ -устройство задания; ОБР -образец; УС - устройство сравнения; МУ, МС -манипуляционное устройство, механическая система
на малых расстояниях от поверхности магнита. Исследуемое магнитное поле есть сумма поля магнита и импульсной обмотки. Прикладываемое магнитное поле от импульсной обмотки в любой точке рассчитывается исходя из величины тока обмотки и характеристик катушки и вычисляется от зонда
Холла при получении величины поля от магнита. Рассчитанное магнитное поля или намагниченность магнита определяется на равенство нулю с помощью микропроцессорной техники, далее вычисляется Hc. Известен метод определения Hc
среды вещества с помощью магнитного дис-ка и счетно-пишущего устройства (Bell Telephone Laboratories, Incorporated, Murray Hill, NJ). При нем определяется мера инерции изменения взаиморасположения намагниченных выделенных доменов текстуры вещества. Другой прием заключается в определении модуляции ширины доменной решетки, соотнесенной с осциллирующим магнитным полем. Эти приемы позволяют проводить исследования веществ с высокой точностью, но не подходят для контроля параметров магнита в производственных условиях. В 2005 г. был предложен цифровой осциллоскоп для определения ряда характеристик по B - H плану. В замкнутую цепь входят 4-х канальный осциллоскоп, соединенный с преобразователем, дифференциальный зонд, подключенный к первичной обмотке преобразователя. Токовые выходы зонда подключены к каналам осциллоскопа для измерения токов в обмотках. Принцип действия осциллоскопа заключается в отработке алгоритма съема характеристик, как то: плотности магнитного потока насыщения, остаточной плотности, коэрцитивной силы, магнитной проницаемости (начальной и максимальной). Изобретение было сделано в Индии.
Для практического применения возникают главные проблемы, которые заключается в том, что существующие стандарты не позволяют проводить измерение Hc постоянных магнитов сложной формы без изготовления специальных образцов и не годятся для массового производства. В работе рассматривается возможность создания установки для контроля Hc
образцов из магнитотвердых материалов сложной формы в импульсных магнитных полях (см. рисунок). Установка должна решать эти задачи. Для этого, на основе модели э/м поля перемагничивания магнитотвердых образцов с учетом вихревых токов, необходимо получить параметрическую модель перемагничивания в импульсном магнитном поле образцов произвольной формы.
Принцип управления установки, предлагаемой к рассмотрению, заключается в параллельном съеме информации о внешнем и внутреннем поле образца после задания сигнала намагничивания от устройства задания через блок управления.
Рассогласование через устройство сравнения управляет сигналом задания и позиционным устройством манипулятора, ориентируя его соответственно однородной намагниченности образца. В блок управления может входить устройство коррекции сигнала задания. Таким образом, намагничивание образца производится в зависимости от его (намагничивания) степени однородности и в цифровой форме может управлять положением МУ в рабочей зоне.
К установке, предлагаемой на рассмотрение, приводятся следующие параметры:
Для цилиндрического образца из сплава ЮНДК Т5 АА с размерами внешний диаметр - 19, 7 мм, внутренний диаметр - 8,8 мм, длина - 22 мм, Нс > или = 95 кА/м импульсная трансформаторная намагничивающая установка с комплектом сменных одновитковых индукторов и трансформатором с разомкнутым стальным магнитопроводом.
Диаметр индуктора внутренний - 50 мм, толщина меди - 2 мм, внешний - 54 мм.
Число витков первичной обмотки трансформатора - 150, вторичной - 1.
Напряженности магнитного поля намагничивания амплитуда - 2300 кА/м, энергоемкость накопителя - 5 кДж, длительность импульса - 10 мс, рабочий объем - 60 см куб., коэффициент обратного поля - 0,08, высота индуктора - 30 мм, индуктивность индуктора - 0,08 мкГн, емкость накопителя - 300 мкФ, два параллельно включенных конденсатора ИК 6 -150, напряжение заряда ЕНЭ - 5 кВ, у импульсного трансформатора внутренний диаметр - 174 мм, высота обмотки - 396 мм, мощность установки - 100 кВт.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Курбатов П.Л., Присич М.В. - Московский энергетический институт, Россия.
