УДК 620.179.14
УСТАНОВКА УИМХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ
И ИЗДЕЛИЙ
В.Ф. Матюк, А.А. Осипов
Описана автоматизированная установка для измерения основной кривой намагничивания, предельной и частных петель магнитного гистерезиса, а также их основных (начальная магнитная проницаемость, максимальная магнитная проницаемость, остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила по индукции, индукция насыщения) и дополнительных (магнитная проницаемость при поле, равном коэрцитивной силе; напряженность поля, при котором достигается индукция насыщения; индукция при полях, равных коэрцитивной силе и двум коэрцитивным силам) магнитных параметров магнитомягких материалов и изделий из них. Измерения проводятся в разомкнутой или в замкнутой магнитной цепи при частоте перемагничивания 0,05—0,5 Гц. Приводится структурная схема установки, ее основные параметры и характеристики. Рассмотрена работа установки и возможности ее применения.
ВВЕДЕНИЕ
Кривая намагничивания и петля магнитного гистерезиса, а также их параметры (начальная магнитная проницаемость, максимальная магнитная проницаемость, остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила по индукции, коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса, коэрцитивная сила по намагниченности) являются основными характеристиками ферромагнитных материалов и изделий из них при магнитных измерениях и в неразрушающем контроле.
В соответствии с [1] к магнитомягким материалам (МММ) относятся ферромагнитные материалы с коэрцитивной силой до 4 кА/м. Они широко применяются в электротехнической промышленности, приборостроении, технике связи, энергетике и других областях производства. К МММ относятся и многие изделия черной металлургии и машиностроения, знание магнитных свойств которых необходимо при разработке и применении магнитных методов неразрушающего контроля.
Качество изделий из МММ зависит от соответствия их магнитных характеристик стандартам, что предъявляет соответствующие требования к их технологическому и приемосдаточному контролю. Развитие и совершенствование методов и средств неразрушающего контроля, создание новых материалов и производство более качественных изделий требует дальнейшего развития методов и средств измерений магнитных характеристик изделий металлургии и машиностроения.
В связи с этим широко ведутся работы по созданию новых автоматизированных средств измерения магнитных характеристик магнитомягких материалов с использованием средств вычислительной техники [2—9].
Измерение магнитных параметров материала заключается в воздействии внешнего магнитного поля на испытуемый образец и измерении его отклика на это воздействие.
При исследовании статических магнитных характеристик ферромагнитных материалов внешнее магнитное поле изменяется либо скачкообразно (импульсно-индукционный метод), либо непрерывно со скоростью, при которой влиянием вихревых токов и магнитной вязкости на процесс перемагничивания можно пренебречь. Для измерения напряженности
Владимир Федорович Матюк, докт. техн. наук, зав. лабораторией магнитных методов контроля Института прикладной физики Национальной академии наук Беларуси. Тел. + (375-17) 284-18-55. E-mail: matyuk@iaph.bas-net.by
магнитного поля используются индукционные и гальваномагнитные преобразователи. Измерение магнитной индукции в испытуемом образце осуществляется по изменению магнитного потока в индукционной катушке, которая охватывает образец [10].
Импульсно-индукционный метод до недавнего времени был одним из наиболее распространенных методов определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов [1, 10]. Он основан на измерении количества электричества, индуктированного в измерительной катушке при быстром изменении магнитного потока образца, сцепляющегося с этой катушкой (установки типа БУ-3 и У5045). Изменение магнитного потока может быть осуществлено несколькими способами: удалением катушки из поля, изменением ее положения в пределах поля и изменением направления поля. Основным недостатком метода является то, что он требует значительных временных затрат и плохо поддается автоматизации.
Для испытания ферромагнитных образцов малых размеров применяют вибрационный метод, при котором находящиеся в однородном магнитном поле испытуемый образец или измерительную катушку подвергают вибрационным колебаниям. В результате этих колебаний в последней возникает эдс, пропорциональная индукции образца [11— 13]. Метод обладает хорошей чувствительностью и удовлетворительной точностью, но требует высокой однородности и стабильности намагничивающего поля, стабильности амплитуды и частоты вибрационных колебаний, постоянства размеров испытуемых образцов и их расположения относительно измерительной катушки, обладает малой производительностью и требует длительного процесса градуировки измерительной цепи [9].
Наиболее просто осуществляется автоматизация процесса намагничивания исследуемого образца и измерение всех его магнитных характеристик при использовании метода медленно изменяющегося магнитного поля [14]. Измерение магнитных характеристик этим методом может осуществляться в режиме линейного изменения напряженности внешнего магнитного поля или в режиме поддержания постоянной скорости изменения магнитной индукции. Достоинствами второго режима намагничивания являются его близость к статическому и снижение требований к динамическому диапазону усилительных и интегрирующих устройств. Однако для правильного выбора скорости изменения магнитной индукции необходимо иметь определенную априорную информацию об исследуемом образце (удельную электрическую проводимость материала, коэрцитивную силу и тип петли гистерезиса материала) [4].
В связи с этим при построении установки для измерения магнитных характеристик магнитомягких материалов (установка УИМХ) был выбран принцип медленно изменяющегося магнитного поля в режиме линейного изменения напряженности.
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИЗМЕРЕНИЯ
1. Условия перемагничивания материала. Измерение магнитных характеристик материалов необходимо проводить в замкнутой магнитной цепи. Для этой цели применяются специальные намагничивающие устройства (пермеаметры) или измерения проводят на образцах кольцевой формы [15]. Вследствие отсутствия влияния размагничивающего фактора при использовании замкнутой магнитной цепи для технического насыщения испытуемых образцов требуются меньшие величины намагничивающих полей. В установке УИМХ для измерения магнитных свойств материалов используются кольцевые образцы.
Кольцевые образцы намагничивают полем тока, протекающим по многовитковой равномерно распределенной по окружности образца обмотке (реже по одиночному проводу, проходящему через центр образца). В соответствии с [1] основными требованиями к кольцевым образцам являются постоянство сечения по окружности образца (не хуже 1 %) и соотношение между внешним и внутренним радиусом не более чем 1,3. Методики подготовки кольцевых образцов и нанесения на них намагничивающей и измерительной обмоток изложены в ряде работ [16, 17].
В соответствии с [1] в разомкнутой магнитной цепи может измеряться только коэрцитивная сила. Испытуемые образцы могут иметь форму полос, прутков, прямоугольных параллелепипедов и цилиндров, сечение которых по длине не должно отличаться более чем на 5 %. Отношение длины образца к его диаметру (или корню квадратному из площади сечения) должно быть более 10.
В качестве источника магнитного поля при испытаниях в разомкнутой магнитной цепи применяют соленоиды. Напряженность магнитного поля Н5, создаваемого в центре соленоида, должна быть достаточной для намагничивания испытуемого образца до технического насыщения
(1)
где Ит — значение напряженности поля, необходимое для намагничивания материала образца до технического насыщения; — магнитная индукция технического насыщения материала; р.0 — магнитная постоянная; N— коэффициент размагничивания.
Для цилиндрических образцов и образцов с квадратным сечением
N = 0,42 (1/1, (2)
где й — диаметр или сторона квадрата, / — длина образца.
А,
Рис. 1. Зависимость напряженности поля соленоида, при котором достигается техническое насыщение образца, от его относительной длины X = Щ.
Для магнитомягких материалов Нт составляет примерно 30 кА/м, а Bs — 2,5 Тл. На рис. 1 представлена зависимость напряженности магнитного поля Я. в центре соленоида, обеспечивающая техническое насыщение испытуемого образца, от соотношения его длины к диаметру (или стороне квадрата). Из него видно, что величина намагничивающего поля 40 кА/м обеспечивает техническое насыщение магнитомягких образцов при соотношении 1/с1 > 80.
Для получения достоверных результатов неоднородность магнитного поля вдоль оси соленоида не должна превышать 2 % на расстоянии от центра, равном половине длины образца [1].
Величина намагничивающего поля определяется по величине тока через намагничивающую обмотку кольцевых образцов или через соленоид.
2. Выбор частоты перемагничивания. Особенностью намагничивания и перемагничивания магнитных материалов в периодически изменяющихся магнитных полях является влияние вихревых токов, ослабляющих проникновение магнитного поля внутрь материала и приводящих к существенной неоднородности намагничивания, и отставание намагниченности в данный момент времени от равновесного состояния (магнитная вязкость). При толщине металла более 0,2 мм магнитную вязкость не учитывают [18]. Допустимую частоту / перемагничивающего поля для перемагничивания образца толщиной Ь можно определить по выражению [4]
/гр=7Т^-< (3)
где р — удельное электрическое сопротивление, а ц — относительная максимальная магнитная проницаемость материала.
100 ООО 10 000 1000 100 10 1
0,100
0,010
0,001 о
Рис. 2. Зависимость допустимой частоты/ намагничивающего поля от толщины Ь испытуемого образца для сплавов с разными электрическими и магнитными свойствами.
На рис. 2 представлены зависимости допустимой частоты /г перемагничивающего поля от толщины испытуемого образца для некото-
Относительная максимальная магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление некоторых сплав
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.