Методи корекції динамічних магнітних параметрів плоских виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний політехнічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Методи корекції динамічних магнітних параметрів плоских виробів

Глоба Світлана Миколаївна

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Себко Вадим Пантелійович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри приладів і методів неруйнівного контролю.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Артюх Станіслав Федорович, Українська інженерно-педагогічна академія, ректор;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Купко Віктор Семенович, Державне науково-виробниче об'єднання "Метрологія", старший науковий співробітник.

Провідна установа: Державний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти України, м. Львів, кафедра "Інформаційно-вимірювальна техніка".

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

Анотація

Глоба Світлана Миколаївна. Методи корекції динамічних магнітних параметрів плоских виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Дисертацію присвячено питанням розробки та дослідження методів корекції динамічних магнітних характеристик і параметрів плоских виробів, виконаних з феро- та слабомагнітних матеріалів. В дисертації запропановано нові методи відновленні квазистатичних магнітних кривих індукції та намагнічення феро- та слабомагнітних пластин з урахуванням методичних похибок за експериментально отриманими динамічними характеристиками.

Встановлені критерії слабого загасання магнітного поля в зразках, розроблені методи визначення критичних значень товщин феро- та слабомагнітних виробів і частот зміни магнітного поля.

Основні результати праці знайшли впровадження на ВАТ "Дніпропетровський трубний завод" і в учбовому процесі на кафедрі "Прилади і методи неруйнівного контролю" ХДПУ.

Ключові слова: електромагнітний перетворювач, зразок, контроль, похибка, крива намагнічування, петля гістерезиса, магнітна проникність.

Annotation

Globa Svetlana Nicolaevna. Correction methods of dynamic magnetic parameters of flat products. - Manuscript.

Thesis for a candidat's degree by speciality 05.11.13 - devices and methods of the control. - The Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, 1999.

The dissertation is devoted to development and research of correction methods of dynamic magnetic characteristics and parameters of ferro- and weak-magnetic flat products. The new methods of restoring quasistatical induction curves and magnetization of ferro- and weak-magnetic plates with calculation methodical errors on experimentally obtained dynamic characteristics are offered in dissertation.

The criterions of weak fading inside products of the magnetic field are established, the methods of determination the critical values of thicknesses of the ferro- and weak-magnetic products and change frequencies of magnetic field are designed.

The results of the work have found a practical application on Public Corporation "Dnepropetrovsk Tube Production" and in educational process at the department of "Devices and methods of non-destructive control" at the KSPU.

Key words: electromagnetic converter, product, control, error, magnetization curve, hysteresis loop, magnetic permeability.

Аннотация

Глоба Светлана Николаевна. Методы коррекции динамических магнитных параметров плоских изделий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - методы и приборы контроля. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования методов коррекции динамических магнитных характеристик и параметров плоских образцов и изделий, выполненных из ферро- и слабомагнитных материалов. Выяснено состояние вопроса по методам и средствам измерений магнитных характеристик и параметров материалов, образцов и изделий на постоянном и переменном токе.

В работе получены необходимые выражения для определения амплитуды и фазы магнитного потока внутри ферромагнитного плоского изделия, а также вносимого в преобразователь магнитного потока для слабомагнитного образца с учетом неоднородности распределения магнитного поля по сечению изделия и нелинейной зависимости магнитной индукции (намагниченности) от напряженности магнитного пол. Получены выражения для экспериментальной магнитной индукции (намагниченности), которые определяются по измеренным величинам магнитного потока в сечении образца. Определены методические погрешности измерения магнитных характеристик, которые учитывают неоднородность распределением магнитного поля внутри образца и нелинейность кривой намагничивания, установлены критерии слабого затухания магнитного поля в ферро- и слабомагнитных образцах, состоящие в сравнении реальной и допустимой методических погрешностей.

В диссертации предлагаются новые методы восстановления квазистатических кривых индукции и намагниченности ферро- и слабомагнитных пластин с учетом методических погрешностей (поправок) по экспериментально полученным динамическим характеристикам как в случае слабого магнитного поля (начальный участок кривой индукции или намагниченности), так и в широком диапазоне изменения напряженности магнитного поля (т.е. для всех участков кривой индукции или намагниченности). Разработаны методы определения критических значений толщин ферро- и слабомагнитных изделий и частот изменения зондирующего магнитного поля, которые показывают, что чем меньше допустимая методическая погрешность, тем меньше оказываются критические значения толщин изделий и частот поля необходимые для экспериментов.

С целью увеличения критических значений толщин и частот ферромагнитных образцов предложено использовать укороченные образцы и преобразователи. Поэтому в диссертационной работе рассмотрены вопросы коррекции квазистатических характеристик ферромагнитных изделий при изменении их длины и протяженности магнитного поля (т.е. учтено влияние на результаты измерений размагничивающего фактора).

Результаты теоретических исследований были проверены на установках для контроля динамических магнитных характеристик ферро- и слабомагнитных материалов и изделий (наивысшая точность измерений достигается с использованием установки с двухкоординатным потенциометром переменного тока).

На основании разработанных методов осуществлено восстановление квазистатических кривых магнитной индукции длинных ферромагнитных образцов (выполненных из материалов - аморфный сплав, пермаллой 50НХС), петли гистерезиса (материал - сталь электротехническая 2012) и квазистатической кривой намагниченности слабомагнитного изделия (материал - нержавеющая сталь типа Х18Н10Т) по измеренным (интегральным) зависимостям магнитной индукции и намагниченности от напряженности магнитного поля. Показано, что методическая погрешность, вызванная отличием квазистатических характеристик от динамических не превышает 25 %. С помощью экспериментально полученной кривой индукции укороченного ферромагнитного образца с учетом методической погрешности осуществлено восстановление квазистатической кривой индукции тела с последующим переходом при учете размагничивающего фактора к квазистатической магнитной характеристике материала укороченного образца, доказано, что укорачивая ферромагнитный образец, можно существенно увеличить критические значения толщины и частоты изменения поля.

Оценены аппаратурные погрешности измерений значений магнитной индукции, напряженности магнитного поля и кривой магнитной индукции каждой ее точке. Характерные значения аппаратурных погрешностей измерения магнитной индукции, напряженности поля и кривой индукции ферромагнитного изделия составляют 0,6 %, 0,4 % 0,3 % соответственно.

Рассмотрен универсальный электромагнитный датчик для неразрушающего контроля ферромагнитных пластин, который может быть применим для контроля не только разомкнутых пластин, но и для контроля кольцевых образцов и образцов в виде прямоугольника, в чем и состоит универсальность рассмотренного датчика.

Основные результаты работы нашли практическое применение на ОАО "Днепропетровский трубный завод" и в учебном процессе на кафедре "Приборы и методы неразрушающего контроля" ХГПУ.

Ключевые слова: электромагнитный преобразователь, изделие, контроль, погрешность, кривая намагничивания, петля гистерезиса, магнитная проницаемость.

1. Загальна характеристика роботи

електромагнітний прилад феромагнітний амплітуда

Актуальність теми. Останнім часом особлива увага приділяється електромагнітному контролю параметрів і характеристик розімкнених, замкнених феро- та слабомагнітних (суцільних і шихтованих) виробів і зразків, оскільки в основному вони є елементами та вузлами пристроїв, що використовуються в різних галузях промисловості (електроенергетиці, електротехніці, металургії, машинобудуванні, приладобудуванні та інш.).

Відомо, що магнітний контроль шихтованих зразків (набраних у вигляді пластин або стрічкового навиву) та суцільних виробів рекомендується проводити на постійному струмі. Методи та пристрої, працюючі в постійних магнітних полях, незручні в експлуатації, ускладнені в своїй реалізації та не дозволяють визначити динамічні характеристики, такі як крива намагнічування, петля гістерезиса, втрати потужності на вихрові струми та гістерезис.

Тому контроль виробів і зразків, виконаних з феро- та слабомагнітних матеріалів, доцільно проводити в змінних магнітних полях, такі випробування є безперервними у часі та дозволяють тим самим автоматизувати процес контролю. Крім того, дослідження динамічних характеристик матеріалів і виробів дозволяє отримати повну інформацію про об'єкт контролю - не тільки про його магнітні та електричні параметри, але і про пов'язані з ними фізико-механічні величини, такі як міцність, твердість, температура, дефекти, приналежність виробу до певного типу матеріалу та інш.

Однак, контроль магнітних параметрів і характеристик пов'язаний з труднощами, зумовленими згасанням магнітного поля (напруженості, індукції) в перерізі зразка, а, отже, неоднорідним розподілом їх всередині виробу та нелінійністю кривої намагнічування. Неоднорідність поля приводить у загальному випадку до невизначеності вимірювання магнітної індукції, так як в кожній точці перерізу вироба індукція буде різною, а значить будуть різними і криві індукції, магнітна проникність та інші характеристики.

Таким чином, для практики неруйнівного контролю виникла актуальна задача, що полягає у встановленні критерію слабого згасання поля та в створенні, на основі даного критерію, методики відновлення квазистатичних магнітних характеристик плоских зразків за результатами контролю динамічних характеристик тих же зразків. Ця задача пов'язана з раціональним вибором товщин пластин енергетичного обладнання і частот змінного магнітного поля, а також методів корекції динамічних магнітних характеристик і параметрів суцільних плоских виробів, виконаних з феро- та слабомагнітних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з проектами, які пройшли конкурси Міністерства освіти України: тема М5202 за Наказом Міністерства освіти України № 37 від 13.02.1997 р. і Наказу Харківського державного політехнічного університету № 377 - II від 17.04.1997 р.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є створення та розробка електромагнітних методів і реалізуючих пристроїв для безконтактного визначення квазистатичних магнітних характеристик плоских виробів за результатами контролю їх магнітних характеристик в змінних магнітних полях, а також методик розрахунку раціональних розмірів зразків і значень частот зміни зондуючого магнітного поля.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- отримати вирази для визначення амплітуди та фази магнітного потоку всередині феромагнітного плоского металевого виробу, а також магнітного потоку, що вноситься в перетворювач, в перерізі слабомагнітного зразка з урахуванням неоднорідності напруженості (намагніченості) магнітного поля в перерізі зразка та нелінійності кривої намагнічування (розглянути випадки лінійної ділянки цієї кривої та загальний випадок для всіх ділянок);

- знайти співвідношення для визначення методичних похибок вимірювання магнітних характеристик феро- та слабомагнітних виробів та на основі цих похибок встановити критерії слабого згасання магнітного поля в зразках (тобто отримати умову розподілу в перерізі зразка індукції (намагніченості), близької до однорідної);

- на основі критеріїв розробити методи визначення критичних значень товщин феро- та слабомагнітних виробів і частот зміни поля;

- на основі отриманих співвідношень для методичних похибок та введених критеріїв розробити методи відновлення квазистатичних магнітних характеристик феро- та слабомагнітних плоских виробів за експериментально отриманими (інтегральними) характеристиками;

- розглянути питання корекції квазистатичних характеристик феромагнітних виробів при зміні їх довжини та протяжності магнітного поля (тобто врахувати вплив розмагнічуючого чинника на результати вимірювань);

- на основі розроблених методів розглянути установки для магнітного контролю, засновані на використанні стандартної апаратури;

- отримати результати експериментів на конкретних зразках, які пов'язані з корекцією динамічних характеристик феро- та слабомагнітних плоских виробів і зразків, і на їх основі дати практичні рекомендації по відновленню кривих індукцій та намагніченості, петель гістерезиса та вибору товщин виробів і частотного діапазону зміни поля;

- провести оцінку апаратурних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості магнітного поля та кривої магнітної індукції в кожній її точці, та для конкретних зразків привести розрахунки таких похибок;

- розглянути можливість створення універсального електромагнітного датчика для неруйнівного контролю феромагнітний пластин.

Методи дослідження базуються на використанні теорії електромагнітного поля, електродинаміки суцільних середовищ, математичного апарату (спеціальних функцій, теорії рядів, інтегрального та диференціального числення, функцій комплексних чисел), теорії електричних і магнітних вимірювань, теорії похибок.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- отримані вирази для визначення амплітуди та фази магнітного потоку всередині феромагнітного плоского провідного виробу та магнітного потоку, що вноситься в перетворювач, в перерізі слабомагнітного зразка з урахуванням неоднорідності напруженості (намагніченості) магнітного поля в перерізі зразка та нелінійності кривої намагнічування;

- визначені методичні похибки вимірювання магнітних характеристик виробів та встановлені критерії слабого загасання магнітного поля в феро- та слабомагнітних зразках (критерії перебувають в порівнянні реальної та допустимої методичних похибок);

- розроблені методи визначення критичних значень товщин феро- та слабомагнітних виробів і частот зміни зондуючого магнітного поля;

- розроблені методи відновлення квазистатичних магнітних характеристик феро- та слабомагнітних плоских виробів за експериментально отриманими динамічними характеристиками;

- розглянуті питання корекції квазистатичних характеристик феромагнітних виробів при зміні їх довжини та протяжності магнітного поля (тобто враховано вплив розмагнічуючого чинника на результати вимірювань);

- на установках для магнітного контролю з використанням стандартної апаратури отримані результати експериментів на конкретних зразках, які пов'язані з корекцією динамічних характеристик феро- та слабомагнітних плоских виробів і зразків, а також запропоновані практичні рекомендації по відновленню кривих індукцій та намагніченості, петель гістерезиса та вибору товщин виробів і частотного діапазону зміни поля;

- проведена оцінка апаратурних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості магнітного поля та кривої магнітної індукції в кожній її точці, приведені розрахунки похибок вимірювання магнітних характеристик конкретних зразків;

- розглянутий універсальний електромагнітний датчик для неруйнівного контролю феромагнітний пластин.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що знайдені співвідношення, встановлені критерії, створені методики корекції динамічних магнітних характеристик і параметрів феро- та слабомагнітних суцільних плоских виробів, а також розроблені пристрої дозволяють проектувати установки для електромагнітного контролю пластин і визначати метрологічні характеристики (діапазони вимірювання магнітних параметрів, похибки їх вимірювань, чутливість датчиків до таких параметрів та інш.), вибирати вимірювальні прилади та встановлювати оптимальні режими установок з точки зору досягнення малих похибок та високої чутливості.

Результати дисертації (методи відновлення квазистатичних магнітних характеристик феро- та слабомагнітних плоских зразків і реалізуючі їх установки, основні співвідношення, критерій слабого загасання магнітного поля всередині виробу, вибір критичних значень параметрів виробів, оцінка апаратурних похибок вимірювання) були впроваджені на ВАТ "Дніпропетровський трубний завод" і в учбовому процесі на кафедрі "Прилади і методи неруйнівного контролю" Харківського державного політехнічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає у наступному:

- отримані вирази для визначення амплітуди та фази магнітного потоку всередині феромагнітного плоского виробу, а також для розрахунку магнітного потоку, що вноситься в перетворювач, слабомагнітного виробу;

- визначені методичні похибки вимірюваннь магнітних характеристик феро- та слабомагнітних виробів, які враховують неоднорідність магнітного поля у виробі та нелінійність кривої намагнічування, на основі цих похибок встановлені критерії (умови) слабого загасання магнітного поля в зразках;

- розроблені методи корекції динамічних кривих індукції та намагніченості феро- та слабомагнітних пластин і стрічок; на конкретних плоских зразках показана методика відновлення квазистатичних кривих індукції феромагнітних плоских виробів;

- обгрунтований вибір критичних значень товщин плоских виробів і частот зондуючого магнітного поля для феро- та слабомагнітних пластин.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на:

- Міжнародної науково-технічної конференції "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Харків, 1996 р.;

- Міжнародної науково-технічної конференції "Информационные технологии: наука; техника, технология, образование, здоровье", Харків, 1997 р.;

- II Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія в електроніці", Харків, 1997 р.

Публікації: основні результати дисертації опубліковані у 9 наукових працях, з них: 5 статей в наукових журналах, 1 стаття в збірнику наукових праць і 3 матеріали в трудах Міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, заключення, списку використаних джерел та двох додатків. Повний обсяг дисертації складає 155 сторінок: список літератури містить 112 найменувань (10 стор.), 18 ілюстрацій (17 стор.), 5 таблиць (6 стор.), 2 додатки (10 стор.).

2. Основний зміст роботи

У вступній частині зазначена актуальність теми дослідження, показано зв'язок роботи з науковими темами, вказана мета роботи та сформульовані основні задачі дисертації, відмічена наукова новизна та її практичне значення, розглянуто особистий внесок автора у друкованих працях із співавторами, наведена апробація роботи та структура дисертації.

У першому розділі проаналізовано відомі методи та пристрої для визначення магнітних параметрів і характеристик магнітом'яких матеріалів, зразків і виробів в постійних і змінних магнітних полях. Так як у пристроях енергетичного обладнання деякі магнітопроводи (пластини статорів електродвигунів, трансформаторів, генераторів, реле та інш.) є розімкнені, то має значення в дисертаційній роботі розглядати зразки та вироби такого типу.

Зазначається, що прямолінійні стержневі зразки прямокутного перерізу відрізняються простотою виготовлення та застосовуються для випробування всіх видів магнітних матеріалів в розімкнених магнітних колах. Однак, номенклатура магнітних параметрів феромагнітний матеріалів, що визначаються обмежена, пов'язане це з трудністю визначення напруженості розмагнічуючого поля, яка залежить від розмагнічуючого чинника.

У другому розділі розглянута методика відновлення квазистатичних магнітних характеристик і параметрів суцільних феромагнітний плоских виробів. Методика заснована на урахуванні методичної похибки, яка зумовлена неоднорідністю магнітного поля в перерізі виробу та нелінійністю кривою намагнічування. Основні параметри при визначенні експериментальної магнітної індукції всередині зразка - магнітний потік (потокозчеплення) та його фазовий кут.

На основі процесу дифузії однорідного періодичного магнітного поля в феромагнітний матеріал знаходилася комплексна величина подовжньої z -складаючої напруженості магнітного поля. Після представлення цієї залежності у вигляді степеневого ряду при умові повного промагнічування зразка вираз для має вигляд

, (1)

де - амплітудне значення напруженості магнітного поля; ; - ефективне значення струму в обмотці трансформаторного електромагнітного перетворювача, що його намагнічує з числом витків ; - довжина цієї обмотки; x - координата вздовж товщини плоского виробу; - основа натуральних логарифмів; ; - циклічна частота зміни поля (струму); ; - звичайна частота; t - час; - глибина проникнення поля в зразок;

;

- питома електрична провідність матеріалу виробу;

- магнітна константа; ;

- відносна диференціальна магнітна проникність.

Вираз для комплексної магнітної індукції всередині зразка

, (2)

де і - абсолютна та відносна комплексні амплітудні магнітні проникності матеріалу зразка.

З метою зменшення впливу розмагнічуючого чинника на результати вимірів вибиралися розміри зразків такими, щоб і для феро- та слабомагнітних виробів відповідно (де і - довжина та ширина зразків).

Розглядається два випадки: перший - коли (начальна ділянка кривої магнітної індукції) та другий, загальний випадок, який відповідає (всі ділянки кривої намагнічування).

При розгляді загального випадку (), використовуючи (1) та представляючи у вигляді степеневого ряду поблизу , а потім проінтегрувавши (2) по площі поперечного перерізу зразка (для плоского зразка площа S = hd, де і d - ширина і товщина пластини), отримаємо формулу для комплексного значення магнітного потоку

, (3)

де і - статична і диференціальна відносні магнітні проникності матеріалу виробу, вони залежать від положення робочої точки на кривій індукції, тобто від ; - введений в роботі узагальнений параметр, , причому .

З (3) виділимо модуль комплексного магнітного потоку та представимо його, після необхідних математичних операцій, у вигляді

. (4)

Вираз для фази магнітного потоку виглядає так

. (5)

Потрібно зазначити, що формули (3) - (5) справедливі для всіх ділянок кривої індукції і описують загальний випадок ().

Для початкової лінійної ділянки кривої індукції (, тобто = = const) вирази (4) і (5) приймають більш простий вигляд

; (6)

. (7)

З (3) слідує, що отримані в експерименті інтегральні значення магнітної індукції , знаходять як

, (8)

де - потокозчеплення магнітного потоку Ф з вимірювальною обмоткою перетворювача, = Ф; - число витків цієї обмотки; - квазистатичне значення індукції.

Введемо поняття методичної похибки (або поправки) , яка зумовлена неоднорідністю магнітного поля в перерізі виробу та нелінійністю кривої індукції. У загальному випадку (тобто для всіх ділянок кривої індукції) на основі (8) має вигляд

. (9)

Для відновлення квазистатичних значень індукції за виміряною залежністю для кожного значення можна використати формулу, отриману з (8), при умові , тоді

. (10)

Фізичне уявлення методичної похибки полягає в тому, що вона характеризує відхилення інтегральної індукції , яка була виміряна при зовнішній напруженості поля у разі проникнення у виріб реального змінного у часі магнітного поля, від умовно званої квазистатичної (ідеальної) магнітної індукції , пов'язаної з однорідним розподілом постійного поля в перетині зразка з такою ж напруженістю , що і при змінному магнітному полі.

Формули (9) і (10) дозволяють записати умову (критерій) слабого згасання магнітного поля в феромагнітному плоскому виробі

, (11)

де - допустима методична похибка.

Якщо ввести , то можна отримати виходячи з (11) наступне квадратне рівняння

, (12)

рішенням якого є значення узагальненого параметра .

Метод корекції динамічної кривої індукції полягає в наступному. Спочатку, виходячи з кривої знаходять значення і , потім, вводячи допустиму похибку , знаходять значення з рівняння (12). Після цього для кожного значення розраховують з формули (9) методичну похибку і по формулі (10) перебудовують криву в .

Критерій (11) дозволяє оцінити критичні значення товщини і частоти , при яких забезпечується умова слабого згасання магнітного поля в зразку. У разі заданої частоти магнітного поля f

; (13)

при заданій товщині d

, (14)

де - диференціальна магнітна проникність, відповідна напруженості , при якій ; - введений параметр для спрощення розрахунку. Узагальнений параметр має вигляд .

У випадку, якщо d або f , можна здійснити перехід від характеристик до квазистатичної залежності . Тобто можливе коректування отриманих динамічних магнітних характеристик.

Третій розділ присвячений розробці і дослідженню методів корекції динамічних магнітних параметрів і характеристик слабомагнітних плоских виробів, а також феромагнітних пластин з урахуванням розмагнічуючого чинника.

При контролі слабомагнітних виробів (для них 5) зручно використати поняття магнітного потоку , що вноситься, вираз якого має вигляд

, (15)

де - магнітний потік в перетворювачі без вироба; ;

- магнітний потік безпосередньо у виробі (див. (4)).

Використовуючи символічний метод в (15) і виконавши необхідні математичні операції, запишемо для загального випадку () вирази для амплітуди і фази магнітного потоку, що вноситься

; (16)

. (17)

де k і - відносна і диференціальна магнітна сприйнятливість матеріалу зразка; ; .

Вираз для експериментальної (інтегральної) намагніченості , використовуючи (16), отримаємо у вигляді

, (18)

де - потокозчеплення, що вноситься; ; - квазистатичне значення намагніченості матеріалу зразка при однорідному її розподілі.

З (18) слідує, що методична похибка має вигляд

. (19)

При умові з (18) формула для визначення виглядає так

. (20)

Значення узагальненого параметра , задавшись величиною допустимої похибки , знаходять з умови (критерію) слабого згасання магнітного поля в слабомагнітному зразку

. (21)

Таким чином, обчислюючи методичну похибка по формулі (19) для кожного значення при відомих , і , в загальному випадку () можна перебудувати експериментально отриману криву намагніченості для слабомагнітного матеріалу в квазистатичну залежність використовуючи співвідношення (20).

Зв'язок між і має вигляд

. (22)

Критерій (21) дозволяє визначити критичні значення товщини і частоти зондуючого магнітного поля при контролі слабомагнітного зразка. Критичні значення товщини і частоти для слабомагнітного виробу при відомих його параметрах знаходять за формулами (13) і (14). Однак, значення відносної амплітудної диференціальної магнітної проникності = вибирається при напруженості магнітного поля , яке відповідає значенню , де - введений параметр в даному розділі для спрощення розрахунку, який визначається

.

Якщо максимальна методична похибка = , знайдена з (19) для слабомагнітного виробу (з (9) - для феромагнітного), виявиться більше допустимої, то необхідно зменшити товщину зразка (виробу) або частоту зондуючого магнітного поля.

З метою збільшення критичних значень і для феромагнітних плоских зразків розроблений метод корекції динамічних характеристик таких зразків при зменшенні їх довжини (витримавши при цьому умову ) або довжини електромагнітного перетворювача (при умові l ) з урахуванням розмагнічуючого чинника.

У четвертому розділі описані принципові електричні схеми установок, засновані на використанні стандартної апаратури, для реалізації розроблених методів визначення динамічних характеристик і параметрів ферро- та слабомагнітних плоских виробів. Представлені результати експериментів по відновленню динамічних магнітних характеристик феромагнітний зразків (без урахування та з урахуванням розмагнічуючого чинника). Наприклад, на рис. 1 приведений графік залежності від (рис. 1 а ), а також експериментальна і перебудована криві першого феромагнітний плоского зразка для випадку = 0,25. Для того, щоб істотно зменшити вплив розмагнічуючого чинника зразок має достатню довжину . Параметри першого зразка: матеріал - аморфний сплав; d = 2510-⁶ м; h = 510-³ м; l = 16010-³ м; = 0,07510⁷ См/м; = 5627; = 27454 при значенні = 14 А/м, яке відповідає максимуму введеного параметра = 2,44. Магнітні випробування зразка проводилися при частоті f = 50 Гц, для цього випадку при = 2,44 максимальна методична похибка становить = 0,25, а величина = 0,21.

Проведена корекція динамічної петлі магнітного гістерезиса другого феромагнітного плоского зразка, який має наступні параметри: матеріал - сталь електротехнічна 2012; d = 0,1510-³ м; h = 1010-³ м; l = 16010-³ м; =0,210⁷ См/м; = 621; = 2149 при = 500 А/м, яке відповідає _{ниж max} =1,73 і _max = 0,25 (= 0,28). Магнітні випробування проводилися при f = 50 Гц. Значення і розраховувалися для всіх ділянок нижньої частини петлі гістерезиса, а верхня частина петлі гістерезиса є результатом дзеркального відображення нижньої.

Рис. 1. Залежності (крива 1), (крива 2) (а) і (б) від

Рис. 2 а демонструє поведінку експериментальної петлі - петля 1 та відновленої квазистатичної петлі гістерезиса - петля 2 для випадку = 0,25. Поведінка кривої зображена на рис. 2 б.

Рис. 2. Залежності (крива 1), (крива 2) (а) і (б) від

У кінці цього розділу розглянуті питання оцінки апаратурних похибок , і вимірювання відповідно індукції , напруженості поля і кривій індукції загалом. Розрахунки показують, що при використанні в установці двокоординатного потенціометра типу Р-56 для контролю всіх дільниць кривої індукції феромагнітного зразка характерні чисельні значення похибок становлять = 0,6 %, = 0,4 % і =0,3 %.

У даному розділі показано, що при контролі магнітних характеристик і параметрів довгих і коротких феромагнітних зразків, а також слабомагнітних виробів максимальні методичні похибки наступають при напруженості магнітного поля в околиці точки перегину виміряних кривих індукцій (або намагніченості). Це дозволяє зробити простішим процес визначення критичних значень товщини та частоти поля, які забезпечують виконання критерію слабого згасання магнітного поля у виробі.

Описаний універсальний електромагнітний пристрій для неруйнівного контролю феромагнітний виробів. Метою його створення є спрощення процесу поопераційного контролю магнітних характеристик пластин і можливість автоматизації магнітних випробувань. Потрібно зазначити, що він застосований для контролю не тільки розімкнених пластин, але і для контролю кільцевих зразків і зразків у вигляді прямокутника.

Основні результати та висновки

Таким чином, в роботі розглянуті електромагнітні методи і реалізуючі їх пристрої для безконтактного визначення квазистатичних характеристик феро- та слабомагнітних плоских виробів за результатами контролю в змінних магнітних полях, а також створені методики визначення раціональних розмірів виробів і значень частот.

Коротко зупинимося на результатах роботи:

1. З'ясований стан питання з методів та засобів вимірювань магнітних характеристик і параметрів матеріалів, зразків і виробів на постійному та змінному струмі. Поставлені задачі визначення квазистатичних характеристик суцільних плоских феро- та слабомагнітних виробів за результатами магнітних випробувань в змінних магнітних полях.

2. Отримані вирази для розрахунку амплітуди і фази змінного магнітного потоку та магнітного потоку, що вноситься всередині суцільних феро- та слабомагнітних плоских виробів з урахуванням неоднорідності розподілу магнітного поля в перерізі виробу та нелінійної залежності магнітної індукції (намагніченості) від напруженості магнітного поля.

3. Знайдені формули для визначення інтегральної (експериментально отриманої) магнітної індукції та намагніченості в феро- та слабомагнітних зразках. Ці формули включають в себе квазистатичні величини магнітної індукції та намагніченості при однорідному їх розподілі в перерізі виробу та поправки (методичні похибки), пов'язані з урахуванням нелінійності кривої індукції та намагніченості, а також неоднорідністю їх розподілу в перерізі зразків.

4. Встановлені критерії слабого згасання змінного магнітного поля в
феро- та слабомагнітних зразках і виробах, які полягають в тому, що чисельні значення методичних похибок повинні бути рівні або менше допустимих похибок. Ці критерії характеризують умову повного промагнічування зразків і виробів магнітним полем.

5. Розроблені методи відновлення квазистатичних кривих індукції та намагніченості, петель гістерезиса за експериментально отриманими (інтегральними) динамічними залежностями магнітної індукції та намагніченості від напруженості магнітного поля.

6. За допомогою критеріїв слабого згасання магнітного поля в зразках отримані формули для розрахунку критичних значень товщин пластин (при постійній частоті магнітного поля) та критичних частот (при постійній товщині зразка). Формули показують, що чим менше допустима методична похибка, тим менше виявляються критичні значення товщин виробів та частот зміни поля, які необхідно використовувати в експериментах.

7. Результати теоретичних досліджень були перевірені на установках для контролю динамічних магнітних характеристик феро- та слабомагнітних матеріалів і виробів з використанням стандартної апаратури.

8. На основі розроблених методів здійснене відновлення квазистатичних кривих магнітної індукції довгих феромагнітний зразків (виконаних з матеріалів - аморфний сплав, пермалою 50НХС), петлі гістерезиса (матеріал - сталь електротехнічна 2012) та квазистатичної кривої намагніченості слабомагнітного виробу (матеріал - нержавіюча сталь типу Х18Н10Т) за виміряними (інтегральними) характеристиками. Показано, що методична похибка, викликана відмінністю квазистатичних характеристик від динамічних не перевищує 25 %.

Здійснено відновлення квазистатичної кривої індукції тіла з подальшим переходом у разі врахування розмагнічуючого чинника до квазистатичної характеристики матеріалу короткого зразка, доведено, що укорочуючи феромагнітний зразок, можна збільшити критичні значення товщин та частот поля.

9. При магнітних випробуваннях довгих і коротких феромагнітних зразків, а також слабомагнітних виробів максимальні методичні похибки наступають в околиці точки перегину експериментально отриманих кривих індукції та намагніченості. Це дозволяє в істотній мірі спростити процес визначення критичних значень товщин та частот поля, оскільки в такому випадку розрахунки магнітних параметрів необхідно здійснювати лише для однієї точки перегину кривої індукції або намагніченості.

10. Проведена оцінка апаратурних похибок вимірювання значень магнітної індукції, напруженості магнітного поля та кривої магнітної індукції в кожній її точці. Доведено, що найбільшу точність вимірювань можна досягнути при використанні двокоординатного потенціометра. У цьому випадку характерні значення апаратурних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості поля та кривої індукції феромагнітного виробу становлять 0,6 %, 0,4 % і 0,3 % відповідно. Показано, що апаратурні похибки вимірювання істотно менше методичних похибок. Це свідчить про те, що відновленим кривим індукції, намагніченості і петлі гістерезиса можна довіряти.

11. Розглянутий універсальний електромагнітний датчик для неруйнівного контролю феромагнітних пластин без нанесення на них намагнічуючої та вимірювальної обмоток.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Себко В.П., Игнатьева С.Н. Восстановление квазистатических кривых намагничивания // Український метрологічний журнал. - Харків: ДНВО "Метрологія". - 1998. - Вип. 3. - С. 28-31.

2. Себко В.П., Игнатьева С.Н. Определение квазистатической кривой намагничивания слабомагнитных материалов // Сборник научных трудов ХГПУ "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Вып. 6. - Ч. 2. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - С. 292-294.

3. Игнатьева С.Н. Методика восстановления квазистатической кривой индукции ферромагнитного плоского изделия. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып. 17. - 1998. - С. 120-122.

4. Себко В.П., Глоба С.Н. Определение критических значений частот магнитного поля и толщин плоских изделий. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып. 24. - 1999. - С. 21-25.

5. Глоба С.Н. Оценка аппаратурных погрешностей измерения магнитных характеристик. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып. 24. - 1999. - С. 26-30.

6. Глоба С.Н. Универсальное электромагнитное устройство для контроля разомкнутых стальных пластин. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып. 37. - 1999. - С. 28-30.

7. Себко В.П., Игнатьева С.Н., До Дык Нгуен, Нгуен Лам Донг. Коррекция динамических характеристик ферромагнитных и слабомагнитных изделий // Труды Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". - Харьков: Основа.- 1996. - С. 203.

8. Себко В.П., Игнатьева С.Н., Салем Ханна Мадаин. Коррекция динамических кривых намагничивания ферромагнитных пластин и лент // Труды Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Ч. 3. - Харьков: ХГПУ. - 1997. - С. 180-182.

9. Себко В.П., Игнатьева С.Н. Оценка методических погрешностей определения характеристик сплошных плоских изделий // Праці II Міжнародної науково-технічної конференції "Метрологія в электроніці- 97".- Т. 2. - Харків: ДНВО "Метрологія". - 1997. - С. 190-192.

Размещено на Allbest.ru

...