CC BY
19
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 62-501.72
ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТОМЯГКИХ ФЕРРИТОВ
А. С. Ишков 1, Е. А. Радиков 2, Р. Р. Шабанов 3, Д. Г. Шилкин 4
1'2'3'4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1ishkovanton@mail.ru 2radickov.e@yandex.ru 3shabanov.ramil58@gmail.com 412зbrokem23god@gmail.com
Аннотация. Приведен обзор применения магнитомягких ферритов, а также методов и средств измерения их магнитных характеристик. Авторами предложены структура и состав системы измерения параметров магнитомягких ферритов на основе индукционного метода. Обосновано применение этого метода с целью автоматизации процесса определения основных магнитных характеристик магнитомягких ферритов. Приводится разработанная авторами структурная схема электронного блока системы, описаны ее состав и назначение блоков, приводится принцип работы разработанной системы. Также авторами выполнено компьютерное моделирование блока согласования уровней напряжения и разработана печатная плата канала намагничивания.
Ключевые слова: магнитное поле, феррит, магнитопровод, коэрцитивная сила, остаточная индукция, ма-нитная проницаемость, петля гистерезиса, индукционный метод
Для цитирования: Ишков А. С., Радиков Е. А., Шабанов Р. Р., Шилкин Д. Г. Электронный блок для измерения параметров магнитомягких ферритов // Вестник Пензенского государственного университета. 2023. № 1. С. 70-76.
Актуальность темы
Быстрое развитие различных разделов науки и техники требует разработки и внедрения новых методов и средств измерений. Техника измерений параметров магнитомягких ферритов не является исключением. Обширной областью применения ферритов являются разработка и производство СВЧ техники, современных электронных и радиотехнических устройств. В настоящий момент СВЧ ферриты используются в качестве магнитных материалов для сердечников бытовой и специальной радиоэлектронной аппаратуры [1].
В современных условиях необходимо оценивать магнитные характеристики в большом объеме и с высокой скоростью, чтобы как можно больше образцов из партии смогло пройти проверку на соответствие заданным значениям параметров или наличие дефектов в структуре феррита.
© Ишков А. С., Радиков Е. А., Шабанов Р. Р., Шилкин Д. Г., 2023
Применение магнитомягких ферритов
Область применения магнитомягких материалов условно можно разделить на две группы: для переменного и постоянного тока. В устройствах, работающих на постоянном токе, феррит намагничивается и, оставаясь в намагниченном состоянии, передает магнитный поток для выполнения того или иного действия. При отключении феррит переходит в состояние остаточной намагниченности, которая стремится или равна нулю. Примером такого применения является электромагнит. Ферриты, работающие на переменном токе, циклически намагничиваются и размагничиваются в течение всего времени работы устройства. Примером такого устройства является трансформатор.
В настоящий момент ферриты используются в качестве магнитных материалов для сердечников бытовых и специальных электронных устройств, таких как фазовращатели, элементы фазированных решеток, магнитопровод в вакуумных реле, в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов, магнитных модуляторов и усилителей [2].
Магнитомягкие материалы характеризуются следующими параметрами: Нс - коэрцитивная сила, Вг = ц0 • ]г - остаточная индукция, цн - заданное значение начальной магнитной проницаемости, ц - магнитная проницаемость на рабочей частоте -/, tg6|I -тангенс угла магнитных потерь на рабочей частоте /, аг^н - относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости в заданном интервале температур [3].
Методы и средства измерения технических характеристик
В настоящее время для контроля качества выпускаемой продукции применяются методы неразрушающего контроля, позволяющие производить контроль и диагностику выпускаемой продукции, производить ремонт и выявлять дефекты, которые приводят к изменению параметров выпускаемого изделия, во время производства [4].
Авторами было принято решение использовать индукционный метод, который заключается в измерении величины индукции, которая возбуждается во вторичной обмотке, намотанной на испытуемый образец, намагниченной полем, создаваемым при пропускании переменного тока через первичную обмотку. Применение этого метода позволяет определять различные типы магнитной проницаемости исследуемого объекта, основную кривую намагничивания и петлю магнитного гистерезиса ферромагнитных материалов [5].
Структурная схема электронного блока и принцип работы
В результате рассмотрения характеристик объекта исследования и проведенного анализа особенностей индукционного метода авторами была разработана структурная схема электронного блока для измерения параметров магнитомягких ферритов (рис. 1).
В состав устройства входят блок измерения магнитных параметров и измерительный блок. Установка подключена к персональной ЭВМ.
Блок измерения магнитных параметров содержит источник напряжения (далее ИН) ИН1 и ИН2 (ИН1 служит источником напряжения положительной полярности, ИН2 является источником напряжения отрицательной полярности), коммутатор (К), кодо-управляемый усилитель (КУУС), источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), усилитель тока (УТ), интегратор (И), блок согласования уровней напряжения (БСУН), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП), пульт управления (ПУ), индикатор (Инд.), энергонезависимую память (ЭНП).
В состав измерительного преобразователя входят две катушки: намагничивающая, измерительная, и объект контроля.
1______________________________________________I
Рис. 1. Структурная схема электронного блока
Принцип работы разработанного электронного блока заключается в создании измерительного преобразователя (ИП) магнитного поля с заданной напряженностью и измерении магнитной индукции посредством коммутации намагничивающего поля. Данная разработка обеспечивает определение основной кривой намагничивания и статической петли гистерезиса и вычисление их параметров, таких как индукция технического насыщения, начальная и максимальная магнитные проницаемости, остаточная индукция, коэрцитивная сила, коэффициенты прямоугольности и квадратности петли гистерезиса.
Электронный блок содержит два канала - канал создания тока намагничивания и канал измерения наведенной ЭДС и вычисления магнитной индукции. Первичный измерительный преобразователь, в который для проведения измерений помещается контролируемая деталь, состоит из измерительного преобразователя (ИП), представляющего собой разборную конструкцию. Она состоит из двух частей: часть I представляет собой основание и является входной частью (вилка), часть II является ответной частью (розетка). На обеих частях ИП находятся две обмотки: намагничивающая (1) и измерительная (2), смонтированные на диэлектрическом каркасе. Между витками измерительной обмотки помещается кольцевой объект контроля. Витками обмотки являются контакты штырькового разъема, электрическое соединение которых осуществляется способом печатного монтажа. При соединении частей I и II происходит замыкание соответствующих контактов, в результате чего образуются две тороидальные обмотки: намагничивающая и измерительная.
Коммутатор подает ток в намагничивающую обмотку измерительного преобразователя либо от источника Ш или от Ц2.
Ступенчатый режим для основной кривой намагничивания заключается в измерении приращений магнитного потока при последовательном дискретном изменении намагничивающего тока от нуля до значения напряженности поля +Иб1 соответствующей индукции технического насыщения. При построении петли гистерезиса происходит измерение приращений магнитного потока при ступенчатом изменении тока от значения напряженности поля +Н1 до значения напряженности.
КУУС задает шаг изменения тока, необходимого для постепенного намагничивания и размагничивания детали. Таким образом, выходной сигнал коммутатора поступает на вход КУУС, где происходит его ступенчатое разделение на уровни.
В качестве КУУС можно использовать ОУ с коммутатором с цифровым управлением от микропроцессора для изменения шага увеличения и уменьшения тока намагничивания и размагничивания.
После этого сигнал (напряжение) необходимо преобразовать в ток, поэтому используется ИТУН, который с помощью управляемого напряжения выдает необходимый ток для работы блока УТ.
Сигнал на выходе усилителя тока достигает 4 А, что достаточно, чтобы намагнитить образец.
Величина магнитного потока в контуре измерительной катушки равна интегралу возникающей в нем ЭДС при скачкообразном увеличении или уменьшении тока намагничивающей обмотки тока. Именно поэтому после измерительной обмотки стоит интегратор, собранный с использованием операционного усилителя. Величина наводимой ЭДС измеряется по следующей формуле:
ЗФ дВ^Б Ф
£ = — = ——^В =
дЬ дЬ Ш • Б'
где Ж - число витков; 5 - сечение измерительной обмотки.
Сигнал из измерительной обмотки имеет малое значение, и для того, чтобы его усилить, используется блок согласования уровня напряжения, функцией которого является преобразование выходного напряжения измерительной катушки к уровню, необходимому для работы АЦП.
Для преобразования аналогового выходного сигнала измерительного преобразователя в цифровой код, необходимый для обработки измерительной информации в микропроцессоре, используются АЦП.
Выходной цифровой код с АЦП поступает на микропроцессор (МП). В зависимости от назначенного режима работы микропроцессор управляет коммутатором, который подключает к каналу измерения необходимый источник постоянного тока, управляет КУУС, который изменяет значение тока в намагничивающей обмотке, обрабатывает полученные результаты измерений и передает результаты на отчетное устройство и в энергонезависимую память.
Отчетное устройство, представляющее собой цифровой индикатор, служит для визуального контроля над всеми измеряемыми параметрами данного электронного блока. Энергонезависимая память используется для хранения измеряемых параметров. Пульт управления необходим для управления работой разработанного устройства. Шлейф ЯБ-485 служит для передачи информации на ПК для дальнейшего использования полученных результатов измерений.
Печатная плата
Проанализировав структурную схему и принцип работы электронного блока для измерения параметров магнитомягких ферритов, авторы разработали печатную плату канала намагничивания феррита. На печатной плате электронного блока размещаются элементы схемы источников постоянного положительного и отрицательного напряжения, коммутатор, КУУС, ИТУН и усилитель тока. Печатный монтаж расположен на верхнем слое печатной платы. Элементы размещаются также на верхнем слое печатной платы. Габаритные размеры печатной платы: 140 х 100. Для крепления платы на ней размещены четыре отверстия под винты М 2,5. На рис. 2 изображен сборочный чертеж
печатной платы. На рис. 3 изображена трассировка печатных проводников на верхнем слое печатной платы.
О
о-
О
и
о
0Е0 50 2 02 02 02 02 0£ 02 0!
РЧ52
В
И
-И- и
уси а:
' -н-
Р11 0
,-, о ,-, го
н
□ А7
Чёз
В
В
Р51
В13
и
В56
в ЕВС
В55
рбз н
ЕВС
140
Рис. 2. Сборочный чертеж печатной платы
и изо и
Р,31
Ы
В32
СЕ]
изз га
В4Э
И
В48
Ш
Р.47
И
Н4В
И ^ §0 ^ §0 §0^0 |0 Ж01010
О
Рис. 3. Трассировка печатных проводников на верхнем слое печатной платы
Схемотехническое моделирование блока согласования уровней напряжения
В среде МиШБ1ш авторами было проведено моделирование блока согласования уровней напряжения. Схема блока согласования уровней напряжения с полученными результатами моделирования приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема моделирования БСУН
Результаты моделирования на рис. 4 свидетельствуют о том, что выходное напряжение, поступившее с интегратора после прохождения БСУН, соответствует задан-
ным значениям входного напряжения АЦП; тем самым подтвердилась работоспособность блока.
Заключение
В ходе проведения работ авторами был проведен анализ методов измерения параметров магнитомягких материалов, современных средств и методов измерения параметров ферритов.
В результате рассмотрения характеристик объекта исследования и проведенного анализа особенностей индукционного метода для определения магнитных характеристик магнитомягких ферритов была разработана схема электронного блока для измерения параметров магнитомягких ферритов.
Выполнено компьютерное моделирование блока согласования уровней напряжения, а также разработана печатная плата канала намагничивания.
Электронный блок для измерения параметров магнитомягких ферритов может использоваться на предприятиях, где выходная продукция должна соответствовать техническому заданию, и благодаря быстросъемной клемме скорость оценки параметров магнитомягких ферритов существенно возрастает.
Список литературы
1. Пархоменко М. П., Каленов Д. С., Еремин И. С. [и др.]. Волноводный метод измерений электромагнитных параметров материалов в СВЧ диапазоне и оценка погрешностей измерений // Журнал радиоэлектроники. 2018. № 9. С. 1.
2. Сафронова А. В. Магнитомягкие материалы, ферриты. Самара : Поволжский гос. ун-т телекоммуникаций и информатики, 2018. С. 3-4.
3. Матюк В. Ф., Осипов А. А. Измерение магнитных характеристик магнитомягких материалов и изделий при квазистатическом перемагничивании // Неразрушающий контроль и диагностика. 2017. № 4. С. 6-9.
4. Петрова А. Разработка неразрушающего метода контроля дефектности ферритовой керамики на основе температурных зависимостей начальной магнитной проницаемости. Томск, 2020. С. 13-36.
5. Рябов Д. В. Автоматизированная система измерений параметров магнитомягких материалов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2017. С. 2-4. URL: imuk.pnzgu.ru>
Информация об авторах
Ишков Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет
Радиков Егор Алексеевич, студент, Пензенский государственный университет
Шабанов Рамиль Рафаэлевич, студент, Пензенский государственный университет
Шилкин Денис Григорьевич, студент, Пензенский государственный университет
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
