[RU]

Аппарат листов относится к области магнитных испытаний листовых образцов электротехнических сталей. Он включает основание, нижнее и верхнее ярма с контактными площадками, намагничивающий соленоид, расположенный между ярмами, а также снабжен механизмом позиционирования верхнего ярма. Намагничивающий соленоид содержит каркас, выполненный из немагнитного материала. В каркасе выполнено сквозное окно в форме горизонтальной щели. Под нижней поверхностью окна установлен магнитный сенсор. В области расположения магнитного сенсора на каркас нанесена измерительная обмотка. Продольный размер измерительной обмотки совпадает с продольным размером магнитного сенсора (т.е. проекции измерительной обмотки и магнитного сенсора на продольную ось соленоида совпадают). Поверх измерительной обмотки на каркас нанесена намагничивающая обмотка. Область расположения магнитного сенсора и нанесения измерительной обмотки характеризуется тем, что значение относительной неоднородности магнитного поля, создаваемого (при эксплуатации аппарата листов) намагничивающей обмоткой в окне в пределах этой области, находится в интервале ±0,5% для максимальных значений создаваемого поля от 3 до 2500 А/м. Магнитный сенсор выполнен в виде набора из восьми катушек поля, установленных в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно продольной оси окна в два ряда по четыре катушки поля в ряду. Каждая катушка поля снабжена индивидуальными выводами с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству. Значение погрешности измерения каждой катушки поля находится в интервале ±0,2% для максимальных значений измеряемого поля от 3 до 2500 А/м. Технический результат: повышение точности при измерении магнитных свойств образцов, в частности при измерении удельных потерь мощности, а также обеспечение достоверного определения характера распределения магнитных свойств материала образца в плоскости окна соленоида в геометрической области измерения, т.е. в проекции расположения магнитного сенсора и измерительной обмотки.

(57) Реферат / Формула:

Аппарат листов относится к области магнитных испытаний листовых образцов электротехнических сталей. Он включает основание, нижнее и верхнее ярма с контактными площадками, намагничивающий соленоид, расположенный между ярмами, а также снабжен механизмом позиционирования верхнего ярма. Намагничивающий соленоид содержит каркас, выполненный из немагнитного материала. В каркасе выполнено сквозное окно в форме горизонтальной щели. Под нижней поверхностью окна установлен магнитный сенсор. В области расположения магнитного сенсора на каркас нанесена измерительная обмотка. Продольный размер измерительной обмотки совпадает с продольным размером магнитного сенсора (т.е. проекции измерительной обмотки и магнитного сенсора на продольную ось соленоида совпадают). Поверх измерительной обмотки на каркас нанесена намагничивающая обмотка. Область расположения магнитного сенсора и нанесения измерительной обмотки характеризуется тем, что значение относительной неоднородности магнитного поля, создаваемого (при эксплуатации аппарата листов) намагничивающей обмоткой в окне в пределах этой области, находится в интервале ±0,5% для максимальных значений создаваемого поля от 3 до 2500 А/м. Магнитный сенсор выполнен в виде набора из восьми катушек поля, установленных в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно продольной оси окна в два ряда по четыре катушки поля в ряду. Каждая катушка поля снабжена индивидуальными выводами с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству. Значение погрешности измерения каждой катушки поля находится в интервале ±0,2% для максимальных значений измеряемого поля от 3 до 2500 А/м. Технический результат: повышение точности при измерении магнитных свойств образцов, в частности при измерении удельных потерь мощности, а также обеспечение достоверного определения характера распределения магнитных свойств материала образца в плоскости окна соленоида в геометрической области измерения, т.е. в проекции расположения магнитного сенсора и измерительной обмотки.

---

G01R 33/00; G01R 33/12; GO IN 27/00; GO IN 27/72
Аппарат листов
Предлагаемый аппарат листов относится к области магнитных испытаний листовых образцов электротехнических сталей. Предлагаемый аппарат листов предназначен для использования в составе эталона единиц мощности магнитных потерь, который в дополнение к аппарату листов содержит комплекс оборудования для питания и измерения, соединительные линии и эталонные образцы.
Известен аппарат листов, применяемый в промышленности при определении электрических и магнитных свойств листового образца стали длиной от 400 мм до 750 мм, а именно при измерении амплитуд магнитной индукции и напряженности магнитного поля (ГОСТ 12119.5-98). Аппарат листов имеет намагничивающий соленоид и два ярма. Конструкция ярм обеспечивает параллельность соприкасающихся поверхностей контактных площадок ярм и поверхности образца, а также обеспечивает механическую жесткость, исключающую влияние на магнитные свойства образца. Магнитные потери в ярмах не превышают 5 % измеряемых. Относительная разность амплитуд магнитного потока в ярмах не выходит за пределы ± 15 %. Намагничивающий соленоид имеет каркас из немагнитного изоляционного материала, на который нанесена измерительная обмотка, а поверх измерительной нанесена намагничивающая обмотка. Внутри каркаса выполнен сквозной канал (т. н. окно соленоида), предназначенный для размещения образца. Относительная максимальная разность амплитуд магнитной индукции (неоднородность) на участке образца внутри намагничивающего соленоида не выходит за пределы + 5 %. Недостаток аналога по ГОСТ 12119.5-98 заключается в отсутствии средства измерения напряженности магнитного поля (далее также употребляются сокращения термина "напряженность магнитного поля": "магнитное поле" или "поле"; также употребляется выражение "поле" в значении "амплитуда поля") в образце или на поверхности образца, или измерения магнитной индукции внутри намагничивающего соленоида вблизи поверхности образца. Поскольку не всегда можно правильно учесть потери магнитного потока, создаваемого намагничивающей обмоткой, результаты обработки измерений с использованием аппарата листов, раскрытого в ГОСТ 12119.5-98, могут иметь большие погрешности. Недостатком является использование измерительной обмотки, продольный размер которой равен продольному размеру намагничивающей обмотки, поскольку вблизи краев намагничивающей обмотки неоднородность магнитной индукции и поля
велика, по сравнению с неоднородностью в центральной зоне намагничивающего соленоида (т. е. в центральной зоне намагничивающей обмотки, так как намагничивающую обмотку по возможности наносят на всей длине каркаса намагничивающего соленоида). Эта неоднородность снижает точность измерений.
Известен аппарат листов (см. описание к патенту США US2861241; G01R33/12; опубл. 1958.11.18), в конструкцию которого включены магнитные сенсоры, помещенные внутрь намагничивающего соленоида. Магнитный сенсор является чувствительным к изменению магнитной индукции. Он выполнен в виде так называемой катушки поля -плоской катушки индуктивности с немагнитным каркасом, расположенной таким образом, чтобы при нахождении в сквозном канале каркаса намагничивающего соленоида образца и при создании намагничивающей обмоткой переменной во времени магнитной индукции катушка поля создавала сигнал, по которому можно определить магнитную индукцию и поле вне образца. Обмотка катушки поля в отличие от измерительной обмотки не охватывает образец. Недостатками этого аналога являются: отсутствие ярм и связанные с этим утечки магнитного потока при измерениях; большой продольный размер магнитного сенсора, ведущий к понижению точности измерений вследствие повышенных неоднородностей поля вблизи краев намагничивающей обмотки.
Известен аппарат листов (см. описание к патенту США US3281678; G01R33/12; опубл. 1966.10.25), в конструкцию которого включены магнитные сенсоры, выполненные в виде катушек поля, помещенные внутрь намагничивающего соленоида. Недостатками этого аналога являются: отсутствие ярм и связанные с этим утечки магнитного потока при измерениях; недостаточная жесткость каркаса намагничивающего соленоида; большая толщина медных защитных пластин на катушках поля, препятствующая измерению поля на минимальном удалении от поверхности образца; большой продольный размер магнитного сенсора, ведущий к понижению точности измерений вследствие повышенных неоднородностей поля вблизи краев намагничивающей обмотки.
Известен аппарат листов, в конструкцию которого включен магнитный сенсор, выполненный в виде комплекта катушек поля, помещенный внутрь намагничивающего соленоида (см. Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL 55. NO 10/S, 2004, 41-44 SINGLE STRIP TESTER WITH DIRECT MEASUREMENT OF MAGNETIC FIELD STRENGTH. Slawomir Tumanski, Slawomir Baranowski). Недостатком этого аналога является большой продольный размер магнитного сенсора (цепочка из четырех катушек поля по всей длине намагничивающей обмотки), ведущий к понижению точности измерений вследствие повышенных неоднородностей поля вблизи краев намагничивающей обмотки.
Известен аппарат листов, в конструкцию которого включен магнитный сенсор, выполненный с использованием магниторезистивных пленок, помещенный внутрь намагничивающего соленоида (см. в докладе: IMTC 2006 - Instrumentation and Measurement. Technology Conference. Sorrento, Italy, April 2006. The Single Strip Tester of Magnetic Materials with AMR Sensors Array. Slawomir Tumanski, Slawomir Baranowski). Этот аппарат листов предназначен для испытаний узких листов - полос, которые обыкновенно испытывают в аппарате Эпштейна. Магнитный сенсор этого аналога чувствителен к текущему значению магнитной индукции, а не к изменению его во времени. Магнитный сенсор выполнен в виде комплекта из шестнадцати детекторов, расположенных в четыре ряда по четыре детектора в ряду, с размерами от 3 см х 3 см до 6 см х 6 см. Каждый детектор снабжен пленочным магниторезистором с размерами 1 мм х 1 мм. Детекторы могут быть соединены последовательно, в этом случае они выдают сильный общий сигнал. Сигнал с каждого детектора можно снимать отдельно, в этом случае можно оценить распределение магнитных характеристик в образце в зоне расположения магнитного сенсора. Недостатком этого аппарата листов является его непригодность (либо недостаточная пригодность) для точных испытаний листов с размерами более 50 см х 50 см, главным образом из-за неоднородностей магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой. Повышение точности только магнитного сенсора не приводит к повышению достоверности измерений, поскольку однородность магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой в соответствии с имеющимися стандартами, оказывается недостаточной. Недостатком этого аппарата листов также является его недостаточная доступность для потребителей, обусловленная высокой стоимостью пленочных магниторезисторов и сложностями мелкосерийного производства из пленочных магниторезисторов крупных сенсоров с одинаковыми характеристиками. Результаты испытаний листов меньших размеров, чем 50 см х 50 см, для которых легче обеспечить однородность поля с помощью стандартной намагничивающей обмотки, часто не являются достаточно надежными, чтобы отнести их к промышленной партии продукции. Кроме того, пленочные магниторезисторы обладают ограниченным сроком эксплуатации. Также пленочные магниторезисторы имеют ограничение по величине магнитной индукции/поля, при которой они сохраняют приемлемую рабочую характеристику.
Известен аппарат листов, в конструкцию которого включен магнитный сенсор, выполненный в виде двух катушек поля, помещенный внутрь намагничивающего соленоида. Этот аппарат листов удобно рассмотреть в качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения. Результат изучения магнитного поля этого аппарата листов и
его эскиз имеется в работе: Physics. Electricity & Magnetism fields. Okayama University Year 1987. Improvement of measuring accuracy of magnetic field strength in single sheet testers by using two H coils. Takayoshi Nakata, Yoshihiro Kawase, Masanori Nakano. Аппарат листов содержит, в частности: основание; верхнее и нижнее ярма с контактными площадками; намагничивающий соленоид, содержащий каркас, в котором выполнено окно (т. е. сквозной канал в форме горизонтальной щели); намагничивающую обмотку, нанесенную на каркас; измерительную обмотку, нанесенную на каркас под намагничивающей обмоткой в проекции магнитного сенсора. Магнитный сенсор - две катушки поля -расположен в центральной зоне намагничивающего соленоида, на удалении от краев намагничивающей обмотки. Одна катушка поля расположена выше сквозного канала, другая "катушка поля" расположена ниже сквозного канала. Измерительная катушка также расположена в центральной зоне намагничивающего соленоида, на удалении от краев намагничивающей обмотки. Уменьшение длины магнитного сенсора по сравнению с длиной намагничивающей обмотки улучшает точность результатов измерений, особенно при низких значениях магнитного потока, создаваемого намагничивающей обмоткой. Недостаток ближайшего аналога заключается в том, что каждая катушка поля занимает в проекции на длину намагничивающего соленоида всю его центральную зону (ту же зону, которую занимает и измерительная обмотка). Это не позволяет по результатам измерений оценить характер распределения магнитных свойств материла в образце в зоне расположения (в проекции) магнитного сенсора. Недостатком является отсутствие средств фиксации образца между контактными площадками ярм, которые могли бы обеспечить сокращение зазора между поверхностью образца и поверхностью соответствующей контактной площадки ярма до величины меньшей, чем 0,075 мм.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании аппарата листов, обеспечивающего повышение точности при измерении магнитных свойств образцов, в частности, при измерении удельных потерь мощности, а также обеспечивающего достоверное определение характера распределения магнитных свойств материала образца в плоскости окна соленоида в геометрической области измерения, т. е. в проекции расположения магнитного сенсора и измерительной обмотки. Создаваемый аппарат листов предназначен для испытаний образцов стандартных размеров, причем выполнение испытаний с помощью создаваемого аппарата листов должно быть достаточно простым, позволяющим использование аппарата листов в условиях заводских лабораторий, отделов и служб технического контроля качества продукции.
Указанная задача решается в общем случае следующим образом. Аппарат листов включает основание, нижнее и верхнее ярма с контактными площадками, намагничивающий соленоид, расположенный между ярмами, а также снабжен механизмом позиционирования верхнего ярма. Намагничивающий соленоид содержит каркас, выполненный из немагнитного материала. В каркасе выполнено сквозное окно в форме горизонтальной щели. Под нижней поверхностью окна установлен магнитный сенсор. В области расположения магнитного сенсора на каркас нанесена измерительная обмотка. Продольный размер измерительной обмотки совпадает с продольным размером магнитного сенсора (т. е. проекции измерительной обмотки и магнитного сенсора на продольную ось соленоида совпадают). Поверх измерительной обмотки на каркас нанесена намагничивающая обмотка. Область расположения магнитного сенсора и нанесения измерительной обмотки характеризуется тем, что значение относительной неоднородности магнитного поля, создаваемого (при эксплуатации аппарата листов) намагничивающей обмоткой в окне в пределах этой области, находится в интервале ±0,5 % для максимальных значений создаваемого поля от 3 А/м до 2500 А/м. Магнитный сенсор выполнен в виде набора из восьми катушек поля, установленных в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно продольной оси окна в два ряда по четыре катушки поля в ряду. Каждая катушка поля снабжена индивидуальными выводами с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству. Значение погрешности измерения каждой катушки поля находится в интервале ±0,2 % для максимальных значений измеряемого поля от 3 А/м до 2500 А/м.
Предлагаемый аппарат листов во всех реализациях отличается от ближайшего аналога тем, что измерительная обмотка нанесена в области расположения магнитного сенсора, продольный размер измерительной обмотки совпадает с продольным размером магнитного сенсора, при этом область расположения магнитного сенсора и нанесения измерительной обмотки характеризуется тем, что значение относительной неоднородности магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой в окне в пределах этой области, находится в интервале ±0,5 % для максимальных значений создаваемого поля от 3 А/м до 2500 А/м, магнитный сенсор выполнен в виде набора из восьми катушек поля, установленных в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно продольной оси окна в два ряда по четыре катушки поля в ряду, причем каждая катушка поля снабжена индивидуальными выводами с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству, а значение погрешности измерения каждой катушки поля находится в интервале ±0,2 % для максимальных значений измеряемого поля от 3 А/м до 2500 А/м.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в отличие от общего случая измерительная обмотка и магнитный сенсор выполнены с продольным размером, составляющим не более 2/3 продольного размера намагничивающей обмотки, и равноудалены от краев намагничивающей обмотки, вертикальный зазор намагничивающей обмотки составляет не более 0,05 ее длины, вертикальный зазор измерительной обмотки составляет не более 0,02 ее длины, вертикальный размер окна составляет на более 0,1 вертикального зазора намагничивающей обмотки, катушки поля установлены на расстоянии от нижней поверхности окна не более 0,25 вертикального размера окна, вертикальный размер каждой катушки поля не превышает вертикального размера окна.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в отличие от общего случая окно выполнено с вертикальным размером 2 мм, намагничивающая обмотка выполнена с продольным размером 455 мм и вертикальным зазором 15 мм, измерительная обмотка выполнена с продольным размером 300 мм и вертикальным зазором 6 мм, магнитный сенсор выполнен с продольным размером 300 мм, каждая катушка поля выполнена с продольным размером 140 мм, поперечным размером 30 мм, вертикальным размером 2 мм и установлена на расстоянии 0,5 мм от нижней поверхности окна.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в отличие от общего случая аппарат листов дополнительно снабжен коммутирующим устройством, имеющим, по меньшей мере, два выхода и входы в количестве, равном, по меньшей мере, суммарному количеству индивидуальных выводов всех катушек поля, при этом индивидуальные выводы всех катушек поля подключены к входам коммутирующего устройства.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в отличие от общего случая основание аппарата листов содержит верхнюю часть и нижнюю часть, которые соединены друг с другом подвижно с помощью вертикальных направляющих стоек с пружинами, верхнее ярмо жестко скреплено с верхней частью основания, нижнее ярмо жестко скреплено с нижней частью основания, а механизм позиционирования верхнего ярма выполнен в виде винтового передаточного механизма с возможностью перемещения верхней части основания относительно нижней части основания вдоль вертикальных направляющих стоек с пружинами и с возможностью создания давления на образец 100 г/см2.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в отличие от общего случая на каждое ярмо предлагаемого аппарата листов нанесена вспомогательная измерительная обмотка.
Известно, что снование, нижнее и верхнее ярма с контактными площадками и намагничивающий соленоид являются необходимыми частями во многих конструкциях аппаратов листов. Основание обеспечивает жесткость конструкции аппарата листов. Ярма служат для замыкания магнитного контура в ограниченном пространстве и для снижения потерь магнитного потока. Механизм позиционирования верхнего ярма служит для фиксации образца между контактными площадками ярм. Этим снижаются потери магнитного потока при эксплуатации аппарата листов Каркас намагничивающего соленоида, в котором выполнено сквозное окно в форме горизонтальной щели, служит для нанесения намагничивающей и измерительной обмоток, для закрепления магнитного сенсора, а сквозное окно обеспечивает возможность поместить образец в заданное положение при проведении испытаний. Каркас выполнен из немагнитного материала с целью уменьшения искажений магнитного поля. Намагничивающая обмотка предпочтительно нанесена на всей длине каркаса намагничивающего соленоида, а расстояние между контактными площадками каждого ярма практически равно длине каркаса; при этих условиях устраняются или минимизируются утечки магнитного потока. Если в настоящем описании не оговорено иное, длина (продольный размер) измеряется в направлении условной геометрической оси симметрии намагничивающего соленоида, которая совпадает с осями намагничивающей и измерительной обмоток и параллельна направлению магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой в сквозном окне каркаса намагничивающего соленоида; ширина (поперечный размер) измеряется в направлении горизонтального поперечного размера сквозного окна, т. е. в плоскости горизонтальной щели и в плоскости листового образца, помещаемого в сквозной канал при эксплуатации аппарата листов. Намагничивающая обмотка служит для создания переменного магнитного поля внутри намагничивающего соленоида. Расположение магнитного сенсора под нижней поверхностью окна обеспечивает при эксплуатации аппарата листов постоянство расстояния от магнитного сенсора до образца, независимо от толщины образца (которая при этом не может превышать вертикального размера окна). Измерительная обмотка служит для создания сигнала, который зависит от изменения магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой и образцом, помещенным в поле намагничивающей обмотки. С использованием сигнала измерительной обмотки оценивают магнитные свойства образца при проведении испытаний.
Измерительная обмотка и магнитный сенсор выполнены с одинаковым размером и расположены в одной области намагничивающего соленоида, которую можно условно назвать областью измерений. Вследствие этого сигналы, получаемые с измерительной обмотки и с магнитного сенсора, относятся к одной области образца; это облегчает обработку сигналов и повышает достоверность результатов измерений магнитных свойств. В предлагаемом техническом решении указанная область измерений характеризуется тем, что значение относительной неоднородности магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой в окне в пределах этой области, находится в интервале +0,5 % для максимальных значений (амплитуд) создаваемого поля от 3 А/м до 2500 А/м (то есть для тех полей, для работы в которых предназначены листовые материалы, образцы которых можно испытывать в предлагаемом аппарате листов). Эти значения неоднородности магнитного поля существенно меньше, чем неоднородности магнитного поля в известных аппаратах листов. В известных аппаратах листов допустима неоднородность создаваемого поля в области измерений в относительно большом интервале, например, ±3 %, поскольку используются магнитные сенсоры (в частности, катушки поля) с относительно высокой погрешностью измерения. Использование в известных аппаратах листов магнитных сенсоров с относительно большой погрешностью измерения связано с тем, что с целью увеличения уровня сигнала используют катушки поля относительно больших размеров (увеличение поперечного и вертикального размера ведет к увеличению потока на один виток, увеличение продольного размера при постоянной плотности витков ведет к увеличению количества витков). Это значит, что достоверное измерение распределения магнитных свойств в образце не может быть проведено с использованием известного аппарата листов, следовательно, не требуется высокая однородность поля, создаваемого намагничивающей обмоткой. Поскольку в предлагаемом аппарате листов использованы катушки с относительно низкой погрешностью измерения (+0,2 %) в количестве восьми с индивидуальными выводами, возможно одновременное измерение локальных магнитных свойств в восьми участках образца, однако для обеспечения достоверности измерений, требуется соответствующее повышение степени однородности поля, создаваемого намагничивающей обмоткой. Автором предлагаемого изобретения установлено, что для достоверного определения распределения магнитных свойств материала в образце при использовании катушек поля с погрешностью измерения в пределах ±0,2 % (для максимальных значений измеряемого поля от 3 А/м до 2500 А/м) требуется снизить относительную неоднородность создаваемого поля в области измерений до ±0,5 % (для максимальных значений создаваемого поля от 3 А/м до 2500 А/м), при этом катушек поля должно быть не менее
восьми (предпочтительно восемь, во избежание усложнения конструкции сверх необходимого), катушки поля должны быть равномерно распределены по области измерений, предпочтительно в рядах, в виде решетки или таблицы, и должны иметь индивидуальные выводы с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству. Снабжение катушек поля индивидуальными выводами с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству позволяет с помощью внешнего коммутирующего устройства (либо с помощью встроенного коммутирующего устройства, при его наличии) измерять сигнал, например, любой отдельной катушки поля, который отражает локальные магнитные свойства материала образца в соответствующей области, либо, например, суммарный сигнал от нескольких катушек поля, который отражает усредненные магнитные свойства материала образа по соответствующим областям.
Путем расчетов и экспериментов с аппаратами листов разных геометрических размеров, с различными геометрическими размерами их деталей, автором было определено, что для измерительной обмотки и магнитного сенсора предпочтительным является продольный размер не более 2/3 продольного размера намагничивающей обмотки, при этом они должны находиться на равном удалении от краев намагничивающей обмотки. В этом случае легче добиться нужной степени однородности поля, создаваемого в окне в области измерений. При этом для обеспечения повышенной достоверности измерений с учетом указанной погрешности измерения катушек поля вертикальный зазор намагничивающей обмотки должен составлять не более 0,05 ее длины, вертикальный зазор измерительной обмотки должен составлять не более 0,02 ее длины, вертикальный размер окна должен составлять на более ОД вертикального зазора намагничивающей обмотки, катушки поля должны быть установлены на расстоянии от нижней поверхности окна не более 0,25 вертикального размера окна, вертикальный размер каждой катушки поля не должен превышать вертикального размера окна.
В частном случае исполнения измерительная обмотка и магнитный сенсор выполнены с продольным размером 300 мм. Такой размер, по мнению автора, является оптимальным. Уменьшение этого продольного размера ведет к снижению достоверности измерений. Увеличение этого размера ведет к увеличению также продольного размера намагничивающей обмотки, так как иначе затруднительно поддерживать высокую степень однородности создаваемого магнитного поля в области измерений. Продольный размер намагничивающей обмотки 455 мм позволяет создать аппарат листов достаточно компактных размеров и обеспечивает достаточно удобную работу с аппаратом листов. Экспериментально было определено, что в этом частном случае оптимальный баланс
точности и достоверности измерений, с одной стороны, и сложности изготовления, с другой стороны, достигается при следующих параметрах аппарата листов: вертикальный размер окна 2 мм, вертикальным зазором намагничивающей обмотки 15 мм, вертикальным зазором измерительной обмотки 6 мм, продольный размер каждой катушки поля 140 мм, поперечный размер каждой катушки поля 30 мм, вертикальный размер каждой катушки поля 2 мм, расстояние от нижней поверхности окна до каждой катушки поля 0,5 мм.
В частном случае снабжение предлагаемого аппарата листов коммутирующим устройством, имеющим, по меньшей мере, два выхода и входы в количестве, равном, по меньшей мере, суммарному количеству индивидуальных выводов всех катушек поля, позволяет эксплуатировать аппарат листов без привлечения внешнего коммутирующего устройства.
В частном случае основание аппарата листов, содержащее верхнюю часть и нижнюю часть, которые соединены друг с другом подвижно с помощью вертикальных направляющих стоек с пружинами, причем верхнее ярмо жестко скреплено с верхней частью основания, нижнее ярмо жестко скреплено с нижней частью основания, а механизм позиционирования верхнего ярма выполнен в виде винтового передаточного механизма с возможностью перемещения верхней части основания относительно нижней части основания вдоль вертикальных направляющих стоек с пружинами и с возможностью создания давления на образец 100 г/см2, позволяет поддерживать оптимальное давление со стороны контактных площадок ярм на образец при фиксировании образца в аппарате листов. Благодаря этому можно уменьшить потери магнитного потока в зонах контакта образца с ярмами, а также повысить степень однородности магнитной индукции в образце, и, следовательно, повысить достоверность измерений.
В частном случае нанесение на каждое ярмо предлагаемого аппарата листов вспомогательной измерительной обмотки позволяет учесть при обработке результатов измерений разность магнитных потоков в ярмах и, следовательно, повысить достоверность измерений.
Пример осуществления предлагаемого аппарата листов иллюстрируется следующими рисунками.
Фиг. 1. Эскиз аппарата листов, вид сбоку.
Фиг. 2. Эскиз поперечного сечения намагничивающего соленоида и ярм. Фиг. 3. Эскиз ярма, общий вид.
Фиг. 4. Эскиз каркаса намагничивающего соленоида, общий вид.
Фиг. 5. Эскиз продольного сечения намагничивающего соленоида и упрощенный график распределения амплитуд магнитной индукции, создаваемой намагничивающей обмоткой в сквозном канале, по длине намагничивающего образца.
Фиг. 6. Схематическое изображение комплекта катушек поля, расположенных в два ряда по четыре катушки поля в ряду, вид сверху.
Фиг. 7. Блок-схема установки эталон магнитных потерь.
В представленном на рисунках фиг. 1 - фиг. 7 аппарате листов можно измерять магнитные свойства образцов электротехнической стали размерами: длина 500 мм, ширина 350 мм 500 мм, толщина 0.2 мм + 1.0 мм. Аппарат листов 1 включает основание 2, нижнее ярмо 3, верхнее ярмо 4, намагничивающий соленоид 5 (см. фиг.1). Ярма склеены из полосок электротехнической стали. Намагничивающий соленоид 5 содержит каркас 6, в котором выполнено сквозное окно 7 в форме горизонтальной щели (см. фиг. 2). Длина Ьсол каркаса 6 намагничивающего соленоида 5 составляет 460 мм, ширина \\^сол каркаса составляет 510 мм. Ширина WOKH окна 7 составляет 502 мм, высота Нокн составляет 2,0 мм. На каркас 6 намагничивающего соленоида 5 нанесены намагничивающая обмотка 8 и измерительная обмотка 9, причем измерительная обмотка 9 нанесена в области измерений - в средней зоне 10 намагничивающего соленоида 5 (см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 5), в которой неоднородность поля находится в пределах ±0,5 %. На каркас 6 измерительная обмотка 9 нанесена на длине Ьизм, равной 300 мм, диаметр провода примерно 0,7 мм, количество витков примерно 500 - 600 штук, в один ряд. Поверх измерительной обмотки 9 нанесена намагничивающая обмотка 8 на длине ЬНдм, равной 455 мм, диаметр провода 1,5 мм, в два ряда, количество витков примерно 600 -700 штук.
Также аппарат листов 1 включает магнитный сенсор 11, помещенный внутрь намагничивающего соленоида 5 в его средней зоне 10. Аппарат листов 1 снабжен механизмом 12 позиционирования верхнего ярма, служащим для фиксации образца 13 между контактными площадками 14, 15, 16, 17 ярм. Измерительная обмотка 9 нанесена на равном расстоянии Ькр от краев (крайних витков) 18, 19 намагничивающей обмотки 8.. Магнитный сенсор 11 расположен в средней зоне 10 намагничивающего соленоида 5 на равном расстоянии Ькр от краев 18, 19 намагничивающей обмотки 8, совпадающем с расстоянием от измерительной обмотки до краев намагничивающей обмотки. Измерительная обмотка 9 и магнитный сенсор 11 выполнены каждый с продольным размером Ьизм, равным 300 мм. Намагничивающая обмотка 8 выполнена с продольным размером LHAM, равным 455 мм. В данном примере расстояние Ькр от краев намагничивающей обмотки до магнитного сенсора или до измерительной обмотки равно
77,5 мм. Измерениями с помощью известных измерительных средств было подтверждено, что в средней части сквозного окна 7 в на расстояниях от краев 18, 19 намагничивающей обмотки 8 не менее 77,5 мм, относительная неоднородность магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой 8, не превышает ±0,5 % для интервала максимальных значений магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой 8 в сквозном окне 7, от 3 А/м до 2500 А/м. Поперечный размер WCEH магнитного сенсора 11 в этом примере равен 435 мм. Магнитный сенсор 11 выполнен в виде набора из восьми катушек поля 20, врезанных (вклеенных) непосредственно под нижнюю поверхность сквозного окна 7 каркаса 6 в средней зоне 10 (т. е. в зоне высокой однородности магнитного поля) и расположенных симметрично относительно продольной оси сквозного окна и намагничивающего соленоида. Ось каждой катушки поля направлена параллельно продольной оси намагничивающего соленоида. Оси обозначены штрихпунктирными линиями. Каждая катушка поля 20 расположена на расстоянии ЬКАТ, равном 0,5 мм, под нижней поверхностью сквозного окна 7. Каждая катушка поля 20 снабжена индивидуальными выводами 21, 22 (выводы 21, 22 показаны условно). Каждая катушка поля 20 выполнена с поперечным размером WKAT, равным 30 мм. Продольный размер LKAT каждой катушки поля 20 составляет 140 мм, толщина (т. е. вертикальный размер) НКАТ составляет 2,0 мм. Длина LKAT каждой катушки поля 20 в настоящем примере на 10 мм меньше половины длины Ьизм магнитного сенсора 11, что связано с необходимостью сохранить жесткость каркаса намагничивающего соленоида в области расположения катушек поля.
Основание (или корпус) 2 аппарата листов содержит верхнюю часть 23 и нижнюю часть 24, которые соединены друг с другом подвижно с помощью вертикальных направляющих стоек с пружинами 25. Верхнее ярмо 4 жестко скреплено с верхней частью 23 основания, нижнее ярмо 3 жестко скреплено с нижней частью 24 основания. Механизм 12 позиционирования верхнего ярма выполнен в виде винтового передаточного механизма с возможностью перемещения верхней части 23 основания относительно нижней части 24 основания вдоль вертикальных направляющих стоек с пружинами 25. Верхнее ярмо 4 опускается вручную с помощью маховика 26; масса верхнего ярма скомпенсирована пружинами стоек 25 так, чтобы при фиксации образца оказывать на него давление 100 г/см2. Это значение давления не более 100 г/см2, по мнению автора, предупреждает повреждение поверхностей образца и контактных площадок ярм, но при этом обеспечивает достаточную плотность контакта ярм с образцом, предотвращающую утечки магнитного потока.
На верхнее ярмо 4 нанесена вспомогательная измерительная обмотка 27. На нижнее ярмо 3 нанесена вспомогательная измерительная обмотка 28. Вспомогательные измерительные обмотки 27, 28 содержат каждая по 10 витков. Вспомогательные измерительные обмотки 27, 28 позволяют определить магнитный поток внутри ярм (необходимо, чтобы разность значений магнитного потока в верхнем и нижнем ярмах была минимальной).
Аппарат листов 1 используют в составе установки эталон магнитных потерь (см. фиг. 7). Установка эталон магнитных потерь состоит из аппарата листов 1, программированного блока питания 29 и линий 30 связи, питания. Установка снабжена комплектом стандартных образцов удельных магнитных потерь. Установка работает под управлением разработанного для нее программного обеспечения. На фиг. 8 представлена блок-схема установки эталон магнитных потерь. Для простоты показана только одна из восьми катушек поля. На блок-схеме фиг. 8 использованы следующие обозначения: CPU - микропроцессор;
DDS - схема прямого цифрового синтеза синусоидального сигнала; DAC - цифровой регулятор уровня сигнала;
SKOM - коммутатор входов внешнего и внутреннего генераторов возбуждающего сигнала;
УНЧ - усилитель низкой частоты (усилитель мощности сигнала низкой частоты);
WH - намагничивающая обмотка аппарата листов;
WH - измерительная обмотка аппарата листов;
WK.n. - обмотка катушки поля;
ОС - цепь обратной связи;
Kl, К2, КЗ - управляемые ключи переключения диапазонов намагничивающего тока;
ДУ1, ДУ2, ДУЗ - дифференциальные усилители напряжений на токовых шунтах;
SI, S2, S3 - переключатели входов аналого-цифровых преобразователей (АЦП);
Инт. 1 - интегратор напряжения с измерительной обмотки;
Инт. 2 - интегратор напряжения с катушек поля;
ADC1 - аналого-цифровой преобразователь канала индукции;
ADC2 - аналого-цифровой преобразователь канала магнитного поля.
Эталон магнитных потерь, в составе которого используется настоящий пример исполнения аппарата листов, измеряет:
1. Намагниченность J - от 0 до 2,0, т.е. индукция В (Тл) от магнитного поля Н (А/м) -от 0 до 2500.
2. Мощность магнитных потерь (удельная) при разной индукции. Диапазон измерения удельной мощности магнитных потерь от 0 до 20 Вт/кг, при заданной индукции от 0,1 до 1,7 Тл.
Задача усилителя низкой частоты создавать синусоидальную магнитную индукцию с коэффициентом формы не хуже 1.111 и задавать стабильные магнитные поля. Для вычисления индукции используется следующая формула:
B = Vcp/(4*So6f* W2), (1) где Vcp - напряжение на измерительной обмотке, В.
S06 - сечение образца, мм - ширина, умноженная на толщину, f- частота перемагничивания, Гц. W2 - число витков измерительной обмотки.
Для расчета удельных потерь используется следующая формула
РУД=р'5' (2)
где р - плотность образца, кг/м (в практике, как правило, используются справочные данные р, определенные для каждой марки стали); S - площадь петли гистерезиса, вычисляемая по формуле
S = \ Zi=l(tfi#mЈ+1 + Hi + l^mi)> (3)
где Bm - индукция в образце, Тл. Измерение площади петли гистерезиса проводится за один цикл (период), в котором 500 точек измерения, т.е. Hi, Bmj - мгновенные значения в i-той точке.
При измерении поля используются два подхода: измерения по току (а) и измерения по катушкам поля (б) по формулам:
Н=^(а) (4)
(а) где Н - магнитное поле, А/м;
I - ток в намагничивающей обмотке, А;
Wi - число витков в намагничивающей обмотке;
Lcp - величина средней линии образца, которая является индивидуальной для каждого конкретного образца;
(б) где r)S - постоянная катушки поля, определяемая до того как ее вклеивают (врезают) в
каркас намагничивающего соленоида по оригинальной методике с погрешностью 0,02
%, м2;
ц0 - магнитная постоянная, равная 12,56-10"7 Гн/м;
Фк - магнитный поток через катушку поля, Вб.
Все катушки поля выведены на коммутирующее устройство (клемник) и могут быть соединены в любой последовательности.
Величина магнитного поля в зоне каждой катушки поля вычисляется по формуле
(5).
В случае если все восемь катушек поля соединены последовательно, общая постоянная магнитного сенсора равна: ^S = (TIS)1+(TIS)2+...+(TIS)8.
Магнитная индукция на образце определяется в зоне однородной индукции, то есть на длине 300 мм в средней зоне 10, там, где нанесена измерительная обмотка W2, по формуле (1).
Удельные магнитные потери в однородной зоне (на длине 300 мм) определяются по формуле (2).
При измерении образца в виде листа, лист взвешивают на весах с погрешностью 0,15 г, и на нем рулеткой определяют длину, ширину образца и через массу, длину, плотность образца получают площадь поперечного сечения.
Предлагаемый аппарат листов может быть изготовлен в существующих мастерских или фабриках по производству измерительных приборов, с использованием известных материалов и инструментов.
Предлагаемый аппарат листов может использоваться в эталонах магнитных потерь для воспроизведения и передачи единиц мощности и удельной мощности магнитных потерь в образцах из магнитомягких материалов листовой формы.
Формула
1. Аппарат листов, включающий основание, нижнее и верхнее ярма с контактными площадками, механизм позиционирования верхнего ярма и расположенный между ярмами намагничивающий соленоид, содержащий каркас из немагнитного материала со сквозным окном в форме горизонтальной щели и с магнитным сенсором, установленным под нижней поверхностью окна, при этом на каркас нанесена измерительная обмотка, поверх которой нанесена намагничивающая обмотка, отличающийся тем, что измерительная обмотка нанесена в области расположения магнитного сенсора, продольный размер измерительной обмотки совпадает с продольным размером магнитного сенсора, при этом область расположения магнитного сенсора и нанесения измерительной обмотки характеризуется тем, что значение относительной неоднородности магнитного поля, создаваемого намагничивающей обмоткой в окне в пределах этой области, находится в интервале ±0,5 % для максимальных значений создаваемого поля от 3 А/м до 2500 А/м, магнитный сенсор выполнен в виде набора из восьми катушек поля, установленных в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно продольной оси окна в два ряда по четыре катушки поля в ряду, причем каждая катушка поля снабжена индивидуальными выводами с возможностью их подключения к внешнему коммутирующему устройству, а значение погрешности измерения каждой катушки поля находится в интервале ±0,2 % для максимальных значений измеряемого поля от 3 А/м до 2500 А/м.
2. Аппарат листов по п. 1, отличающийся тем, что измерительная обмотка и магнитный сенсор выполнены с продольным размером, составляющим не более 2/3 продольного размера намагничивающей обмотки, и равноудалены от краев намагничивающей обмотки, вертикальный зазор намагничивающей обмотки составляет не более 0,05 ее длины, вертикальный зазор измерительной обмотки составляет не более 0,02 ее длины, вертикальный размер окна составляет на более 0,1 вертикального зазора намагничивающей обмотки, катушки поля установлены на расстоянии от нижней поверхности окна не более 0,25 вертикального размера окна, вертикальный размер каждой катушки поля не превышает вертикального размера окна.
3. Аппарат листов по п. 1, отличающийся тем, что окно выполнено с вертикальным размером 2 мм, намагничивающая обмотка выполнена с продольным размером 455 мм и вертикальным зазором 15 мм, измерительная обмотка выполнена с продольным размером 300 мм и вертикальным зазором 6 мм, магнитный сенсор выполнен с продольным размером 300 мм, каждая катушка поля выполнена с продольным размером 140 мм,
поперечным размером 30 мм, вертикальным размером 2 мм и установлена на расстоянии 0,5 мм от нижней поверхности окна.
4. Аппарат листов по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен
коммутирующим устройством, имеющим, по меньшей мере, два выхода и входы в
количестве, равном, по меньшей мере, суммарному количеству индивидуальных выводов
всех катушек поля, при этом индивидуальные выводы всех катушек поля подключены к
входам коммутирующего устройства.
5. Аппарат листов по п. 1, отличающийся тем, что основание аппарата листов содержит верхнюю часть и нижнюю часть, которые соединены друг с другом подвижно с помощью вертикальных направляющих стоек с пружинами, верхнее ярмо жестко скреплено с верхней частью основания, нижнее ярмо жестко скреплено с нижней частью основания, а механизм позиционирования верхнего ярма выполнен в виде винтового передаточного механизма с возможностью перемещения верхней части основания относительно нижней части основания вдоль вертикальных направляющих стоек с пружинами и с возможностью создания давления на образец 100 г/см .
6. Аппарат листов по п. 1, отличающийся тем, что на каждое ярмо предлагаемого аппарата листов нанесена вспомогательная измерительная обмотка.
11 Фиг. 2
ЕАПВ/ОП-2
ЕВРАЗИЙСКОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО
Заявитель: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "УРАЛЬСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ"
I | Некоторые пункты формулы не подлежат поиску (см. раздел I дополнительного листа)
I | Единство изобретения не соблюдено (см. раздел П дополнительного листа)
А. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДМЕТА ИЗОБРЕТЕНИЯ: G01R 33/12 (2012.01)
Согласно Международной патентной классификации (МНК) или национальной классификации и МПК
В. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
Минимум просмотренной документации (система классификации и индексы МПК)
GO IN 27/00. 27/02. 27/04, 27/72. 27/86. GO 1R 33/00. 33/02. 33/12. 33/20. 33/24, 33/28
Другая проверенная документация в той мере, в какой она включена в область поиска:
В. ДОКУМЕНТЫ, СЧИТАЮЩИЕСЯ РЕЛЕВАНТНЫМИ
Аппарат листов
Аппарат листов
Аппарат листов
Аппарат листов