CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 184 1970
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОПРОВОДА НА КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПО КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЕ И ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
В. П. ДОЛГОПОЛОВ, И. Г. ЛЕЩЕНКО
{Представлена научным семинаром факультета автоматики и вычислительной техники)
В литературе [1] описаны коэрцитиметры переменного тока с намагничивающими устройствами (датчиками) в виде соленоида, б который помещается контрольное и контролируемое изделия. Магнитная цепь при этом получается незамкнутой и получить большие намагничивающие поля в таких датчиках оказывается затруднительным. Для получения большого магнитного потока через испытуемое изделие можно применить намагничивающие устройства с дополнительным, замыкающим изделие, магнитопроводом из магнитно-мягкого материала.
Принцип действия, коэрцитиметра переменного тока заключается в измерении интервала времени между моментами перехода, через нуль напряженности и индукции в контролируемо^ изделии при перемагничи-вании его в синусоидальном магнитном поле. Синусоидальным наманги-чивающее поле (или ток) будет в том случае, если индуктивное сопротивление намагничивающего устройства будет много меньше активного сопротивления цепи намагничивающего тока, что обеспечивается включением последовательно с намагничивающей обмоткой большого активного сопротивления.
а] 5)
Схематично датчик с замыкающим магнитопроводом изображен на рис/ 1 а, на котором обозначено: 1—магнитопровод, 2 — контролируемое изделие, 3 — намагничивающая обмотка, 4 — измерительная обмотка. Для упрощения анализа заменим магнитопровод и изделие полукольцами из соответствующих им материалов, но с одинаковыми геометрическими размерами и обмоткой, равномерно распределенной по обоим
ПО
полукольцам (рис. 1 б — обозначения те же, что и на рис. 1 а). Положим, что средние длины полуколец равны каждая единице, т. е. 1\=1%= /—1. Отметим, что магнитная цепь, состоящая из полуколец, является последовательной цепью, поэтому индукция в каждой точке цепи в лю-
* ...
Рис. 2
бой момент времени будет одинаковой. При этом наличие потоков рассеяния и воздушных зазоров не учитываем и считаем, что магнитный поток равномерно распределяется, по сечению" полуколец.
Обратимся теперь к рис. 2. Положим, :что динамическая петля пере-магничивания 1 относится к магнитопроводу 1 на рис. 1 б, а петля 2 —
ТП
к контролируемому изделию (значения индукции и напряженности взяты в условных единицах). Так как индукция в обоих полукольцах одинакова^ то, взяв сумму произведений амплитуд напряженностей петель каждого полукольца на их средние длины, найдем амплитуду полной м. д. е., необходимой для проведения магнитного потока через оба полукольца: Fmn = НтХ • 1Х -+- Нт2 • ¿2 • Зная амплитудное значение м. д. е., можно построить и всю синусоидальную кривую м. д. е., выражающую в другом масштабе ток i в намагничивающей обмотке. Часть ее изображена в нижней части рис. 2 и обозначена через Fn (/).
Дальнейшие построения выполняются следующим образом. Задаемся каким-либо значением индукции в полукольцах. При этом значении индукции на петлях отыскиваем соответствующие ей напряженности поля Н\ и #2 для каждого полукольца. Умножая эти напряженности на длины полуколец и складывая полученные значения, находим значение м. д. е., необходимой для создания заданной индукции jb цепи. Отыскав это значение на синусоиде Fn(i) , откладываем в соответствующих масштабах заданное значение индукции и значения м.- д. с. в каждом из полуколец. Проведя такие же операции для других значений индукций, получим кривые Fb F2, Bi,2. Заметим, что кривые Fi=f(tot) и (cot) во времени изменяются не синусоидально, несмотря на то, что Fn(i) является синусоидальной функцией времени. Временной интервал между моментами перехода синусоиды напряженности (тока) Fп(1) и индукции Вь2 через нуль выражается отрезком О — а на оси cot.
Заменим теперь контролируемое полукольцо 2 на полукольцо, имеющее динамическую петлю перемагничивания 4 (рис. 2). При такой замене при неизменной полной м. д. с. происходит перераспределение м. д. е., приходящихся на каждое из полуколец. В данном случае максимальное значение индукции в полукольцах уменьшилось и петля 1 перешла в петлю 3. Обратим внимание на то^что петля 4 по сравнению с петлей 2 имеет значительно большую коэрцитивную силу, но такую же остаточную индукцию. Проведя аналогичные предыдущему случаю (при том же самом амплитудном значении Fnni) построения, получим кривые м. д. с. F3 и F4 соответственно, петлям 3 и 4 и индукции В3, 4- Из рассмотрения полученных построений видно, что временной интервал между моментами перехода м., д. с. или, что то же самое, напряженности и индукции значительно возрос. Отсюда можно сделать 1вывод, что увеличение коэрцитивной силы материала контролируемого полукольца 2 привело к увеличению измеряемого временного интервала между моментами перехода через нуль индукции и напряженности.
Однако остался невыясненным вопрос о том, не влияет ли на указанный интервал изменение остаточной индукции материала полуколец, (в последнем случае был выбран материал с петлей 4, имеющей ту же остаточную индукцию, что и петля 3). Для выяснения этого вопроса заменим полукольцо 1 на полукольцо, имеющее петлю 5 с той же коэрцитивной силой, что и петля 3, но с большей остаточной индукцией. На рис. 2 показана только нижняя часть петли. Выполнив снова такие же построения, получаем кривую м.д. с. F5, соответствующую петле 5, F\. соответствующую петле 4, и кривую индукции В5, 4. Из рисунка видно, что если в предыдущем рассмотренном случае кривая F4 пересекала ось cot слева от нуля, то теперь соответствующая той же петле 4 кривая F\ пересекает ось cot правее нуля. Также поменялись местами кривые F3 и F^ однако временной интервал между. моментами перехода через нуль индукции и напряженности не изменился и остался равным в масштабе отрезку О — б. Таким, образом, можно сделать вывод, что изменение остаточной индукции материала любого из полуколец к изменению времен-
11-2
ного интервала не приводит; временной интервал изменяется только при изменении коэрцитивных сил.
Если измерять коэрцитивную силу контролируемого полукольца как (величину, пропорциональную мгновенному значению намагничивающего тока или м. д. с. Рп в момент прохождения через (нуль индукции, то для случая полуколец с петлями Зи4 мы бы получили, что она выражается отрезком б—д (рис.* 2 — (нижняя часть). М. д. с. выраженную этим отрезком, можно представить как некоторую «результирующую» для обоих полуколец напряженности Нрс, умноженную еа общую длину полуколец 1\ + к — 2/:
Но полная м. д. с. состоите из двух частей, распределенных по полукольцам: Рс = Гс3 + = псЪ-11 + Яс4-/2, где Нсз, #с4 — коэрцитивные силы, соответствующие петлям 3 и 4. Но так как 1{ — /2 = /, то
Гс = Нрс-21 = {На + На)1,
откуда
; я —
"рс~ 2 ,
т. е. измеряемая „результирующая" коэрцитивная сила равна среднему арифметическому коэрцитивных сил полуколец, составляющих последовательную магнитную цепь.
В коэрцитиметре переменного тока измеряется временной интервал, выраженный на рис.2 отрезком 0 — б. Обозначим 0 — 6-= у. Из рис. непосредственно следует, что Рс = /^-эт <р, где /^ — амплитудное значение полной м. д. с. Для многих, подлежащих контролю сталей, угол «р довольно мал, так что можно считать, что эт^^Ф. Поэтому можно записать
р р
* пт ■ пт
Подставив в полученную формулу выражение для Нос, записанное через Нсз и Нс4, и заменив рпт на Нпт-21, где Нппг — амплитуда „результирующей напряженности", получим
НсЪ "Г Нс\
Ср — -.
2-Нт
Таким образом, установлена непосредственная связь между измеряемым интервалом и коэрцитивными силами. Из нее следует также, что *Гем меньше -коэрцитивная сила магнитопровода по сравнению с коэрцитивной силой контролируемого материала, тем с большей точностью будет произведено измерение. Другой ¡вывод, вытекающий из последней формулы, говорит о том, что интервал ф уменьшается с увеличением амплитуды намагничивающего поля Нт или тока 1т. Однако бопрос о выборе величины намагничивающего поля в задачу данной работы не входит и рассматривать его мы здесь не будем.
Все вышесказанное относится к режиму работы магнитной цепи, который в электротехнике принято называть режимом заданного тока. В этом режиме синусоидальным является намагничивающий ток и несинусоидальной— индукция. При обратном соотношении'форм кривых тока и индукции имеем режим заданного напряжения: при заданном синусоидальном напряжении, приложенном к намагничивающей обмотке, амплитуда индукции В п в полукольцах является постоянной величиной и изменение яндукции во временен происходит по закону синуса при любой форме петли иеремагничив-ания каждого из полуколец (рис. 1 б).
8. Заказ 7028 - 113
\
Для получения такого режима необходимо, чтобы индуктивное сопротивление намагничивающей обмотки было много больше активного сопротивления обмотки и источника тока.
Рассмотрим работу намагничивающего устройства (рис. 1 б) при тех же условиях, которые были приняты для режима заданного тока. Пусть петля 1 на рис. ,3 относится к полукольцу 1 (магнитопроводу), а петля 2 — к полукольцу 2 из контролируемого материала. Так как магнитная цепь по-прежнему является последовательной, то значения индукции в любой момент времени будут одинаковы в каждом из полуколец. В нижней части буквой В обозначено синусоидальное изменение индукции во времени (в зависимости от cot). Построение кривых м. д. с. (или на-пряженностей) осуществляется примерно также, как и в случае режима заданного тока. Проведем через петли перемагничивания при каком-то определенном значении индукции линию, параллельную оси Я. По точ-^ кам пересечения ее с ветвями петель можно определить напряженность в определенный момент времени в каждом из полуколец. Умножая ее на длину lx-—l2=l~-=\, получаем м. д. с. Fb F2, необходимые для создания выбранного значения индукции в каждом из полуколец. Сложив эти м.д. е., найдем значение полной м.д. с. F2, ь необходимой для проведения магнитного потока через оба полукольца. В другом масштабе полная м. д. с. выражает изменение во времени тока i в намагничивающей обмотке. Проведя такие же операции при других значениях индукции, по полученным значениям Fn2,1, t\ при соответствующих им индукциях В строим зависимости Fn2,\ = /(ш£) и F2 = f(^t) от времени — нижняя часть рис. 3. Временной интервал между переходом через нуль индукции и тока i выражается при этом отрезком А —а.
Заменим правое полукольцо 2 (рис. 1 б), зависимость индукции от напряженности которого описывается петлей 2, на полукольцо с петлей 3. Обратим внимание сразу на то, что коэрцитивная сила петли 3 значительно больше коэрцитивной силы петли 2 (//¿з> -^г), а их остаточные индукции одинаковы. Выполнив аналогичные предыдущему случаю построения, получим кривые Fn\$ ^f(^t) и Fs= f(&t). Видим, что кривые Fnii3 = f (^t) и Fni,2 = /(«>£) пересекают ось в одной точке а, т. е. интервал между моментами перехода через нуль тока и индукции остался тем же самым, и это несмотря на то, что коэрцитивная сила полукольца 3, поставленного взамен полукольца 2, значительно во^фосла. Следовательно, в режиме заданного напряжения временной интервал между моментами перехода через нуль тока и индукции от изменения коэрцитивной силы контролируемых изделий не зависит.
Пересечение кривых /vi.2 и Fn ,.з с осью cot происходит при значениях индукций, при которых напряженность поля в одном полукольце равна по абсолютной величине и противоположна по знаку напряженности в другом: Hi ——Я2 (рис. 3, вверху).
Представим себе, что полукольцо из контролируемого материала имеет петлю, пересекающую ось В в точке б. В верхней части рис. 3 изображена только часть этой петли, обозначенная цифрой 4. Линия, при которой Я4=—Яь переместится вверх, переместится и точка d пересечения, кривой м. д. с. осью o)t в сторону меньших значений cot, т., е. временной интервал увеличится. На основании этого можно прийти к'выводу, что временной интервал изменяется в зависимости от изменения остаточной индукции полуколец.
Мы рассмотрели петлю 4, участок нисходящей ветви которой вблизи оси В имеет такой же наклон к оси В, ка'к и петли 3. Однако возможен такой случай, когда петля пересекает ось индукции В в точке б, а наклон ее к оси В таков, что она пересекается с петлей 3 в точке С, в 114
ß
которой выполняется условие: Я3=—#ь Часть такой петли обозначена цифрой 5. При помещении полукольца с такой петлей вместо полукольца 3 мы не заметим изменения временного интервала. Поэтому при выяснении возможности измерения остаточной индукции в режиме заданною напряжения необходимо прежде установить, как изменяются от изделия к изделию ветви петель вблизи пересечения их с осью индукций в.
Полученные выше выводы для обоих режимов работы магнитной цепи будут верны только- в том случае, если индукция насыщения полукольца, являющегося магни-топроводом, значительно больше индукции насыщения испытуемого материала. Это означает, что при насыщении испытуемого полукольца магнитопровод далек от насыщения и м. д. е., необходимая для проведения потока через него, мала.
На рис. 3 (в нижней части) отрезок АС в масштабе выражает м. д. с. Рп 1,2 в момент прохождения индукции через нуль. Из построения вытекает, что он равен сумме отрезков АВ и ВС, отражающих м. д. е., затрачиваемые на проведение потока по каждому полукольцу. Переходя к напряженностям, как и в случае режима заданного тока, получим
,, Нс 1 + НС2
рс 2
Таки"м образом, в режиме заданного напряжения можно измерять коэрцитивную силу динамической петли перемагничивания, если измерять напряженность намагничивающего поля (или ток) в момент прохождения индукции через нуль.
Коэрцитиметр, работающий на этом принципе, может быть построен по блок-схеме, приведенной на рис. 4. По катушке 1 протекает намагничивающий ток. Блок 2 вырабатывает импульс в момент прохождения индукции через нуль. Импульс подается на вход «Вх. 1» блока 3, производящего за время, действия импульса измерение мгновенного значения напряжения, снимаемого с сопротивления И и пропорционального на-магцичивающему току. ПП — показывающий прибор, который может быть проградуирован в единицах коэрцитивной силы.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. Г. Л еще н ко, В. А. Малин. Установка для разбраковки деталей по коэрцитивной силе. Передовой научно-технический и производственный опыт. М., 1964 № 2-64-282/8 (ГОСИНТИ).
э
-О о— А., 3 -О вх 1 о— 9 9
: 2
Рис. 4
