Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков



Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков
Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков
Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков
Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков
Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков

 


Владельцы патента RU 2488841:

Меньших Олег Фёдорович (RU)

Предложено устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков. Устройство содержит последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное тело вращения из исследуемого ферроматериала, размещенное в магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока. Ферромагнитное тело выполнено в виде сплошного цилиндра, размещенного в магнитном зазоре электромагнита, длина которого в три-пять раз меньше длины окружности ферромагнитного цилиндра с его малым зазором относительно соосно-округлых полюсов электромагнита, а на ферромагнитный цилиндр поверх него наложена равномерно намотанная измерительная обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации. Техническим результатом является повышение достоверности измерений и расширение функциональных возможностей. 5 ил.

 

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля. Эти характеристики являются важными для построения энергетических устройств.

Одним из важных свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔJ в зависимости от времени t описывается формулой:

Δ J ( t ) = [ J ( t ) J 0 ] = [ J J 0 ] [ 1 exp ( t / τ ) ] , ( 1 )

где J0 и J - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности H магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации. Значение т зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10-9 секунды до нескольких десятков часов в зависимости от технологии изготовления ферроматериалов и их структуры [1-3].

Известны способы и устройства для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, выполненных в форме дисков или колец, вращающихся относительно локализованного магнитного поля, в котором размещена кромка этих дисков или колец [4-7].

Так, известен способ измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, выполненных в виде кольца, часть которого помещена в магнитный зазор электромагнита, связанного с регулируемым источником постоянного тока, а также содержащий блок вычисления и индикации, отличающийся тем, что ферромагнитное кольцо с радиусом R вращают относительно магнитного зазора электромагнита длинной L с угловой скоростью ω, и в течение интервала времени Δt=L/ωR измеряют значения величины магнитной восприимчивости ферромагнетика X(х) внутри магнитного зазора электромагнита на отрезке 0≤x≤<L с помощью электромагнитного датчика, обмотка которого входит в состав колебательного контура высокочастотного генератора, для чего электромагнитный датчик перемещают вдоль дуги окружности, соосной с ферромагнитным кольцом внутри магнитного зазора электромагнита, а измерение величины магнитной восприимчивости X(x) производят в блоке вычисления и индикации по изменению частоты в высокочастотном генераторе, при этом значение постоянной релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного кольца определяют по виду экспоненциально спадающего распределения магнитной вязкости X(х) на участке X*≤X(х)≤L, где X* - координата, соответствующая максимуму величины магнитной восприимчивости исследуемого ферромагнетика XMAX, по формуле τ=(L-X*)/ωRln (XMAX/XMIN), где XMIN - минимальное значение магнитной восприимчивости ферромагнетика в конце магнитного зазора электромагнита при х=L, причем магнитное поле в магнитном зазоре электромагнита выбирают однородным и насыщающим.

По указанному способу выполняют соответствующее измерительное устройство, рассмотренное в [7], которое можно рассматривать в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемому техническому решению.

Недостатком известного прототипа является необходимость калибровки прибора при изменении зазора между магнитопроводом с магнитным зазором магнитного датчика с обмоткой измерительного колебательного контура и испытуемым вращающимся ферромагнитным кольцом в локализованном насыщающим магнитном поле, а также его относительно низкая чувствительность к производимым измерениям. Достоверность производимых измерений может нарушаться из-за радиального биения вращающегося диска, при котором изменяется расстояние между боковой поверхностью ферромагнитного кольца и электромагнитным датчиком.

Указанные недостатки известного устройства устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются повышение достоверности производимых изменений и расширение функциональных возможностей заявляемого устройства, в частности, оценки однородности ферроматериала в его объеме.

Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащем последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный (например, трехфазный) генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное тело вращения из исследуемого ферроматериала, размещенное в магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока, отличающимся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде сплошного цилиндра, размещенного в магнитном зазоре электромагнита, длина которого в направлении вращения ферромагнитного цилиндра в три-пять раз меньше длины окружности последнего с его малым зазором относительно соосно-округлых полюсов электромагнита, а на ферромагнитный цилиндр поверх него наложена равномерно намотанная (например, виток к витку) измерительная обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации.

Достижение поставленных целей в заявляемом устройстве объясняется возбуждением э.д.с. индукции в обмотке, наложенной на ферромагнитном цилиндре, значение которой определяется скоростью протяжки ферроматериала в магнитном зазоре и изменяющимся во времени из-за магнитной вязкости значением магнитной восприимчивости ферроматериала в магнитном зазоре при варьируемой скорости вращения ферромагнитного цилиндра для заданной регулируемой напряженности магнитного поля в магнитном зазоре, а возможный разброс этого значения э.д.с. в процессе вращения ферромагнитного цилиндра (на каждом его обороте) указывает на степень неоднородности по объему его магнитной восприимчивости и (или) магнитной вязкости. Значение указанной э.д.с. индукции имеет экстремум типа максимума при определенной скорости вращения ферроматериала в магнитном зазоре, по значению которой вычисляется постоянная магнитной вязкости ферроматериала. Магнитная вязкость проявляется во временном запаздывании разворота по вектору магнитного поля в магнитном зазоре магнитных моментов доменов ферромагнетика при его вращении в магнитном поле.

Конструкция заявляемого устройства представлена на рис.1-3, график зависимости э.д.с. индукции, возбуждаемой в измерительной обмотке ферромагнитного цилиндра, от скорости его вращения в локализованном магнитном поле представлен на рис.4, а на рис.5 представлена известная кривая Столетова.

На рис.1 представлена схема заявляемого устройства, состоящая из.

1 - электромагнита с магнитным зазором и округлыми полюсами,

2 - катушки подмагничивания электромагнита,

3 - ферромагнитного цилиндра из исследуемого ферроматериала,

4 - оси вращения синхронного двигателя, осесимметрично скрепленной с ферромагнитным цилиндром (соответствующие оси показаны развернутыми под углом 90° для наглядности),

5 - синхронного двигателя (СД),

6 - многофазного генератора (МГ), например, трехфазного, с регулируемой частотой колебаний,

7 - блока управления, вычисления и индикации (УВИ),

8 - источника постоянного тока (ИПТ) с регулировкой тока подмагничивания,

9 - измерительной обмотки из проводника, равномерно размещенной поверх ферромагнитного цилиндра, например, виток к витку,

10 - двух кольцевых токосъемников для измерительной обмотки 9,

11 - двух изолирующих дисков для кольцевых токосъемников 10.

На рис.2 показан вид сбоку на ферромагнитный цилиндр 3 с измерительной обмоткой 9, осью его вращения 4, на которой закреплены изолирующие диски 11 с кольцевыми электродами 10, к которым соединены концы измерительной обмотки. Выход кольцевых электродов связан с измерительным входом блока УВИ 7.

На рис.3 показан характер намотки измерительной обмотки 9 на примере двух произвольно расположенных ее витков.

На рис.4 дан график зависимости э.д.с. индукции U(ω) в измерительной обмотке 9 от величины угловой скорости вращения ω измерительной обмотки без ферромагнитного цилиндра - пунктирной прямой и с ферромагнитным цилиндром - сплошной кривой, имеющей экстремум типа максимума при угловой скорости вращения ω*.

На рис.5 дан график зависимости магнитной восприимчивости χ(H) ферромагнетика от значения действующей в нем напряженности магнитного поля H - известная кривая Столетова. В области магнитного насыщения (в парапроцессе) произведение χ(H)·Н ≈const.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

По закону об электромагнитной индукции при движении одиночного проводника длиной b со скоростью V в поперечном магнитном поле с напряженностью Н в нем возникает э.д.с. е1oHVb где µo=1,256·10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. При плотной намотке измерительной обмотки 9 (виток к витку) при шаге обмотки δ на длине магнитного зазора L по ходу движения обмотки размещается n=L/δ ее витков. Каждый виток содержит два отрезка проводника длиной по b каждый (см. рис.2), расположенных коллинеарно магнитным полюсам электромагнита 1, и в них для каждого из витков возбуждается э.д.с. e1=2µoHVb=2µoHqωR, поэтому в части обмотки длиной L полная величина э.д.с. U(ω)=n e1=2µoHbLωR/δ. При H=const э.д.с. U(ω) - суть линейная функция от угловой скорости ω вращения ферромагнитного цилиндра 3 в магнитном зазоре электромагнитов 1, а тангенс угла наклона пунктирной прямой на рис.4 относительно оси абсцисс определяется величиной напряженности магнитного поля Н в плоскости дислокации указанных частей измерительной обмотки 9 в магнитном зазоре (на малых расстояниях ξ от полюсов магнитного зазора).

При вращении ферромагнитного цилиндра 3 в локализованном магнитном поле внутри зазора между полюсами электромагнита 1 происходит перемагничивание определенных частей ферроматериала, осуществляемое, как указано в (1) с временным запаздыванием, отражающим магнитную вязкость ферромагнетика. Это означает, что и изменение магнитной восприимчивости χ(H) также происходит с временным запаздыванием согласно выражению.

Δ χ ( t ) = [ χ ( H ) M A X χ Н А Ч ] [ 1 exp ( t / τ ) ] , ( 2 )

полагая, что к ферромагнетику приложено магнитное поле с напряженностью H*, при которой магнитная восприимчивость ферромагнетика достигает максимума в установившемся режиме, как это видно на кривой Столетова (рис.5).

Важно указать, что с ростом магнитной восприимчивости от минимального значения, соответствующего начальной магнитной восприимчивости χНАЧ, до максимального χ(H*)МАХ повышается магнитная проводимость в магнитном зазоре электромагнита, как если бы при одном и том же токе подмагничивания уменьшилось бы расстояние между полюсами электромагнита, что приводит к росту напряженности магнитного поля, действующего на вращающуюся измерительную обмотку 9 вместе с ферромагнитным цилиндром. Следовательно, в этом случае будет расти и э.д.с. индукции U(ω) на концах измерительной обмотки.

Если ферромагнитный цилиндр с измерительной обмоткой вращать очень быстро, то магнитная восприимчивость не будет успевать нарасти до максимальной величины, и, следовательно, э.д.с. индукции будет снижаться с ростом угловой скорости. Если угловая скорость ω будет мала, то при насыщающем магнитном поле согласно кривой Столетова на ее нисходящей ветви (после максимума) магнитная восприимчивость также становится малой, и э.д.с. индукции U(ω) также снижается. Следовательно, при использовании насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре Hнас>H* существует некоторое оптимальное значение угловой скорости ω*, при которой магнитная восприимчивость ферромагнитного цилиндра успевает за время пребывания некоторого дифференциального объема ферромагнетика, охваченного магнитным полем в течение промежутка времени Δt=L/ωR (L - длина магнитного зазора, R - радиус ферромагнитного цилиндра), достигнуть максимального значения χ(H*)МАХ. Это приведет, в свою очередь, к росту э.д.с. индукции до максимума, как это видно на рис.4.

Анализ действия насыщающего магнитного поля на вращающийся ферромагнитный цилиндр показывает, что значение оптимальной угловой скорости вращения ω*=L/еτR. где е=2,71 основание натурального логарифма, откуда искомая величина постоянной релаксации т магнитной вязкости ферромагнетика находился как τ=L/еω*R

Таким образом, варьируя частотой многофазного генератора 6 под управлением с УВИ 7 и при заданном значении тока подмагничивания с выхода блока МПТ 8 (также под управлением с УВИ 7), можно найти значение ω*, и по нему рассчитать величину постоянной магнитной вязкости г исследуемого ферромагнетика. По разбросу величины э.д.с. индукции в измерительной обмотке 9 в процессе вращения можно судить о степени однородности ферромагнетика. Кривую на рис.4 можно отобразить на экране дисплея, входящего в состав УВИ 7.

На основе использования комбинации свойства магнитной вязкости ферромагнетиков, магнитокалорического эффекта и насыщающего магнитного поля можно строить так называемые термомагнитовязкие двигатели, преобразующие теплоту окружающей внешней среды, например, теплоты водных бассейнов, в механическую работу [8-11]. Поэтому актуальной становится задача подбора ферромагнетиков с определенной величиной постоянной г магнитной вязкости.

Литература

1. Kronmiiller H. Nachwirkung in Kerromagnetika, B. - [u.a], 1968.

2. Вонсовский С.В. Магнетизм. М., 1971.

3. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., 1981.

4. Меньших О.Ф. Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2338216, опубл. в №31 от 10.11.2008.

5. Меньших О.Ф. Способ измерения магнитной вязкости ферроматериалов. Патент РФ №2357240, опубл. в №15 от 27.05.2009.

6. Меньших О.Ф. Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2357241, опубл. в №15 от 27.05.2009.

7. Меньших О.Ф. Способ измерения магнитной вязкости ферромагнетиков. Патент РФ №2451945, опубл. в №15 от 27.05.2012 (прототип).

8. Меньших О.Ф. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778, опубл. в бюл. №24 от 27 08.2008.

9. Меньших ОФ. Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, опубл. в бюл. №26 от 20.09.2009.

10. Меньших О.Ф. Устройство автоматического управления электрогенератором. Патент РФ №2444842, опубл. в №7 от 10.03.2012.

11. Меньших ОФ. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2452074, опубл. в №15 от 27.05.2012.

Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащее последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный (например, трехфазный) генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное тело вращения из исследуемого ферроматериала, размещенное в магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока, отличающееся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде сплошного цилиндра, размещенного в магнитном зазоре электромагнита, длина которого в три-пять раз меньше длины окружности ферромагнитного цилиндра с его малым зазором относительно соосно-округлых полюсов электромагнита, а на ферромагнитный цилиндр поверх него наложена равномерно намотанная (например, виток к витку) измерительная обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано при измерении динамического распределения магнитной восприимчивости ферромагнитных колец (или дисков), помещенных их кромкой в неподвижное локализованное в пространстве регулируемое постоянное магнитное поле и вращающихся относительно него с регулируемой постоянной угловой скоростью.

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при снятии зависимости магнитной восприимчивости ферромагнетика от величины приложенного к нему магнитного поля (кривой намагничивания Столетова).

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения магнитной проницаемости цилиндрических проводников. .

Изобретение относится к электронной технике и может найти применение при исследовании и производстве пленочных ферритовых материалов. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке энергетических устройств, действие которых основано на свойстве магнитной вязкости ферромагнетиков.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке энергетических устройств, действие которых основано на свойстве магнитной вязкости ферромагнетиков.

Изобретение относится к области измерения магнитного момента (ММ) меры ММ в виде квадратной катушки с током. .

Изобретение относится к области измерения магнитного момента (ММ). .

Изобретение относится к области измерения магнитного момента, намагниченности и магнитной восприимчивости, в частности к измерению индуктивного и постоянного моментов крупногабаритного тела (например, корабля).

Предложен способ оперативного контроля подлинности изделий из золота от подделок, идентичных по удельному весу и объему, но отличных по магнитным свойствам. В способе изделию из золота подбирают контрольный образец, обеспечивающий возможность контроля подлинности материала изделия физическим методом анализа по магнитным эффектам. Изделие из золота и контрольный образец по очереди помещаются в однородное магнитное поле. В качестве детектируемого информационного признака используется эффект изменения энергии магнитного поля при помещении в него изделия из золота. Если энергия магнитного поля при помещении в него изделия из золота меньше энергии магнитного поля при помещении в него контрольного образца, то изделие из золота считают подделкой. Техническим результатом является повышение надёжности и оперативности контроля подлинности изделий из золота. 1 з.п. ф-лы.
Наверх