RU2805248C1 - Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet - Google Patents
Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805248C1 RU2805248C1 RU2022131599A RU2022131599A RU2805248C1 RU 2805248 C1 RU2805248 C1 RU 2805248C1 RU 2022131599 A RU2022131599 A RU 2022131599A RU 2022131599 A RU2022131599 A RU 2022131599A RU 2805248 C1 RU2805248 C1 RU 2805248C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic field
- ferromagnet
- field strength
- measuring
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Уровень техникиState of the art
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения петель магнитного гистерезиса, магнитных характеристик и кривой намагничивания стали (ферромагнетика) в локальных областях в диапазоне частот от менее 1 до 100 Гц. Известны устройства [патент RU 2381516 С1, 10.02.2010 г., патент CN 103176148 А, 02.07.2014 г., патент US 4044302, 23.08.1977 г., патент RU 2727071 С1, 17.07.2020 г.] для регистрации гистерезисных петель, содержащие по две обмотки, намотанные на едином магнитопроводе-сердечнике, измерительную и намагничивающую. Общим недостатком известных устройств является низкая точность измерений, связанная с конструктивными особенностями. Кроме того, предлагаемые в известных устройствах технические решения не имеют возможности измерения магнитных характеристик стали в локальной области объекта, а предназначены для определения интегральных характеристик стального проката в виде прутков.The invention relates to measuring technology and is intended for measuring magnetic hysteresis loops, magnetic characteristics and the magnetization curve of steel (ferromagnet) in local areas in the frequency range from less than 1 to 100 Hz. Devices are known [patent RU 2381516 C1, 02/10/2010, patent CN 103176148 A, 07/02/2014, patent US 4044302, 08/23/1977, patent RU 2727071 C1, 07/17/2020] for recording hysteresis nyh loops , containing two windings wound on a single magnetic core, a measuring and a magnetizing one. A common disadvantage of the known devices is the low measurement accuracy associated with design features. In addition, the technical solutions proposed in known devices do not have the ability to measure the magnetic characteristics of steel in a local area of the object, but are intended to determine the integral characteristics of rolled steel in the form of rods.
Известно устройство [патент RU 2434237, 20.11.2011], для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали. Недостатком известного устройства для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали является то, что оно позволяет измерять магнитные характеристики стали с высокой точностью только на образцах, совпадающих по размеру с расстоянием между полюсами сердечника Н-образной формы. Для остальных типоразмеров изделий из стали обеспечивается достаточная точность контроля магнитных характеристик лишь в области, одинаковых по размерам и форме образцов.A device is known [patent RU 2434237, November 20, 2011] for express testing of products made from sheet electrical steel. The disadvantage of the known device for express testing of products made from sheet electrical steel is that it allows one to measure the magnetic characteristics of steel with high accuracy only on samples that match in size with the distance between the poles of the H-shaped core. For other standard sizes of steel products, sufficient accuracy of control of magnetic characteristics is ensured only in the area of samples that are identical in size and shape.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является принятое за прототип устройство [патент RU 2483301 С1, 22.11.2011] для регистрации петель магнитного гистерезиса. Устройство для регистрации петель магнитного гистерезиса состоит из П-образного электромагнита, состоящего из магнитопровода с отверстием-преобразователем в котором находится датчик Холла и обмоток. Между полюсами электромагнита расположен еще один датчик Холла необходимый для измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля. Однако данное решение имеет несколько недостатков, одним из которых является крупные габариты измерительной системы, что несколько усложняет проведение измерений на объекте, имеющем малые геометрические размеры или сложную геометрическую форму.The closest in technical essence to the claimed invention is the device adopted as a prototype [patent RU 2483301 C1, November 22, 2011] for recording magnetic hysteresis loops. The device for recording magnetic hysteresis loops consists of a U-shaped electromagnet, consisting of a magnetic core with a transducer hole in which there is a Hall sensor and windings. Between the poles of the electromagnet there is another Hall sensor necessary for measuring the tangential component of the magnetic field strength. However, this solution has several disadvantages, one of which is the large dimensions of the measuring system, which somewhat complicates measurements on an object that has small geometric dimensions or a complex geometric shape.
Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в обеспечении регистрации петель магнитного гистерезиса, в том числе частных петель, кривой намагничивания и других магнитных характеристик ферромагнетиков, с возможностью проведения измерений в их локальной области, и повышении точности измерений путем учета влияния габаритных размеров измерительного устройства. The technical problems to be solved by the claimed invention are to ensure registration of magnetic hysteresis loops, including partial loops, magnetization curve and other magnetic characteristics of ferromagnets, with the ability to carry out measurements in their local area, and increase the accuracy of measurements by taking into account the influence of overall dimensions measuring device.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения магнитных характеристик стали. На фиг. 2 монтажная схема преобразователя магнитной индукции заявляемого устройства. Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнетиков произвольной формы содержит: 1 - магнитный сердечник, изготовленный из аморфного материала, имеющего низкую коэрцитивную силу, порядка 0,16 А/м и магнитную проницаемость, порядка 120 тысяч, что должно обеспечить повышение точности измерений на магнитомягких материалах; 2 - намагничивающие катушки, на которые с источника питания подается регулируемое во времени напряжение, включены встречно для создания однородного магнитного поля в области измерения; 3 - чувствительный сенсор магнитного поля; 4 - паз-отверстие для размещения сенсора магнитного поля; 5 - источник питания с возможностью регулировки формы и величины выдаваемого напряжения и обратной связью с ЭВМ; 6 - микроконтроллер; 7 - ЭВМ.In fig. Figure 1 shows a block diagram of a device for measuring the magnetic characteristics of steel. In fig. 2 wiring diagram of the magnetic induction converter of the proposed device. A device for measuring the magnetic characteristics of ferromagnets of arbitrary shape contains: 1 - a magnetic core made of an amorphous material having a low coercivity of about 0.16 A/m and a magnetic permeability of about 120 thousand, which should improve the accuracy of measurements on soft magnetic materials; 2 - magnetizing coils, to which a time-controlled voltage is supplied from a power source, are connected counter-currently to create a uniform magnetic field in the measurement area; 3 - sensitive magnetic field sensor; 4 - groove-hole for placing a magnetic field sensor; 5 - power source with the ability to adjust the shape and magnitude of the output voltage and feedback from the computer; 6 - microcontroller; 7 - COMPUTER.
При подаче электрического напряжения от регулируемого источника питания 5 на намагничивающие катушки 2 величина Н напряженности создаваемого их электрическим током внешнего магнитного поля определяется по формуле 1 какWhen applying electrical voltage from an adjustable power source 5 to magnetizing coils 2, the value H of the intensity of the external magnetic field created by their electric current is determined by formula 1 as
где k - постоянная катушки, I - сила электрического тока в намагничивающих катушках.where k is the coil constant, I is the strength of the electric current in the magnetizing coils.
Протекающий по намагничивающим катушкам 2 ток создает однородное поле, которое усиливается магнитным сердечником 1, создавая максимальное поле в области нахождения устройства. В случае использования (преобразователя Холла или др.) как чувствительного сенсора магнитного поля 3, его располагают в пазу, имеющем прямоугольное сечение 4. Чувствительный элемент сенсора магнитного поля 3 фиксирует тангенциальную Нт2 составляющую напряженности магнитного поля в сердечнике. Согласно [Новиков В.Ф., Хоронев И.Г., Кочегарова Г.Б. О гистерезисе тангенциальной составляющей поля ферромагнитной пластины", Деп. от 19 мая 1975 г. 11383-75], тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля рассеяния непрерывна при переходе из ферромагнетика в вакуум, следовательно, можно считать, что напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика Hi равна тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над его поверхностью Hτ1 и тангенциальной Нτ2 составляющей напряженности магнитного поля в сердечнике Нτ2 (формула 2)The current flowing through the magnetizing coils 2 creates a uniform field, which is amplified by the magnetic core 1, creating a maximum field in the area where the device is located. In the case of using (Hall transducer or others) as a sensitive magnetic field sensor 3, it is placed in a groove having a rectangular cross-section 4. The sensitive element of the magnetic field sensor 3 records the tangential Ht2 component of the magnetic field strength in the core. According to [Novikov V.F., Khoronev I.G., Kochegarova G.B. On the hysteresis of the tangential component of the field of a ferromagnetic plate", Dep. dated May 19, 1975 11383-75], the tangential component of the stray magnetic field strength is continuous during the transition from a ferromagnet to vacuum, therefore, we can assume that the magnetic field strength inside the ferromagnet under study Hi is equal to tangential component of the stray magnetic field strength above its surface H τ1 and tangential H τ2 component of the magnetic field strength in the core H τ2 (formula 2)
Нτ1- тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля над поверхностью исследуемого ферромагнетика;H τ1 is the tangential component of the magnetic field strength above the surface of the ferromagnet under study;
Нτ2 - тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля в сердечнике;Н τ2 - tangential component of the magnetic field strength in the core;
Hi - напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика.H i is the magnetic field strength inside the ferromagnet under study.
С ростом внешнего намагничивающего поля Н, напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика Hi увеличивается и совпадает по направлению с Н (фиг. 3). Измеряемая величина тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния Hτ1 над поверхностью исследуемого ферромагнетика передается для обработки в микроконтроллер и далее на ЭВМ 7.With increasing external magnetizing field H, the magnetic field strength inside the ferromagnet under study Hi increases and coincides in direction with H (Fig. 3). The measured value of the tangential component of the magnetic field strength H τ1 above the surface of the ferromagnet under study is transferred for processing to the microcontroller and then to the computer 7.
В работе [Сандомирский, С.Г. Расчет и анализ размагничивающего фактора ферромагнитных тел / С.Г. Сандомирский. - Минск: Белорусская наука, 2015. - 244 с. -ISBN 978-985-08-1862-1.] напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика Н; определяется напряженностью внешнего поля Н намагничивающих катушек и размагничивающим полем образца Нр (формула 3)In the work [Sandomirsky, S.G. Calculation and analysis of the demagnetizing factor of ferromagnetic bodies / S.G. Sandomiersky. - Minsk: Belarusian Science, 2015. - 244 p. -ISBN 978-985-08-1862-1.] magnetic field strength inside the ferromagnet under study H; is determined by the external field strength H of the magnetizing coils and the demagnetizing field of the sample H p (formula 3)
где N - размагничивающий фактор формы ферромагнитного образца, М - намагниченность ферромагнетика (как правило) в его центре.where N is the demagnetizing factor of the shape of the ferromagnetic sample, M is the magnetization of the ferromagnet (as a rule) at its center.
Таким образом, измеряя при помощи чувствительного сенсора магнитного поля 3 тангенциальную составляющую Hτ1 напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью исследуемого ферромагнетика и напряженность Н магнитного поля намагничивающих катушек 2 строится петля магнитного гистерезиса в координатах «напряженность магнитного поля внутри исследуемого ферромагнетика - напряженность магнитного поля намагничивающих катушек Hi=f(H)» (фиг. 3). На фиг. 3 показаны петли магнитного гистерезиса сердечников длиной 114,75,18 мм при одинаковом сечении и размагничивающим фактором формы 0,023,0,034,0,064 соответственно.Thus, by measuring, using a sensitive magnetic field sensor 3, the tangential component H τ1 of the stray magnetic field strength above the surface of the ferromagnet under study and the magnetic field strength H of the magnetizing coils 2, a magnetic hysteresis loop is constructed in the coordinates “magnetic field strength inside the ferromagnet under study - magnetic field strength of the magnetizing coils H i =f(H)” (Fig. 3). In fig. Figure 3 shows magnetic hysteresis loops of cores with a length of 114,75,18 mm with the same cross-section and demagnetizing shape factor of 0.023,0.034,0.064, respectively.
Зная размагничивающий фактор формы сердечника 1 заявляемого устройства для измерения магнитных характеристик ферромагнетика, можно при помощи обработки микроконтроллером 6 результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью исследуемого ферромагнетика Hτ1 и напряженности Н магнитного поля намагничивающих катушек получить значение величины намагниченности исследуемого ферромагнетика (формула 4)Knowing the demagnetizing factor of the shape of the core 1 of the proposed device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet, it is possible, by processing with a microcontroller 6 the results of measuring the tangential component of the stray magnetic field strength above the surface of the ferromagnet under study H τ1 and the strength H of the magnetic field of the magnetizing coils, to obtain the value of the magnetization value of the ferromagnet under study (formula 4 )
Используя значение намагниченности ферромагнетика, можно построить петлю его магнитного гистерезиса. На основании всего сказанного можно сделать вывод, что заявляемое устройство, имеющее накладной измерительный элемент, дает сведения о величине магнитных характеристик ферромагнетика, включая петлю магнитного гистерезиса и кривую намагничивания. Простота методики их измерения позволяет осуществить легкий и технологичный контроль в локальной области исследуемого ферромагнетика.Using the magnetization value of a ferromagnet, it is possible to construct a loop of its magnetic hysteresis. Based on all of the above, we can conclude that the inventive device, which has an attached measuring element, provides information about the magnitude of the magnetic characteristics of the ferromagnet, including the magnetic hysteresis loop and the magnetization curve. The simplicity of the technique for measuring them allows for easy and technological control in the local region of the ferromagnet under study.
Задачей заявляемого технического решения является измерение магнитных характеристик, включая кривую намагничивания и петлю магнитного гистерезиса, ферромагнетика в локальной области, с использованием одного сенсора магнитного поля и учетом его геометрических размеров.The objective of the proposed technical solution is to measure the magnetic characteristics, including the magnetization curve and magnetic hysteresis loop, of a ferromagnet in a local area, using one magnetic field sensor and taking into account its geometric dimensions.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства-прототипа и определении магнитных характеристик ферромагнетика.In the process of solving the problem, a technical result is achieved, which consists in expanding the functionality of the prototype device and determining the magnetic characteristics of the ferromagnet.
Указанный технический результат достигается путем обеспечения возможности измерения петли гистерезиса и основной кривой намагничивания ферромагнетика, а также измерения его основных магнитных характеристик в локальной области, ограниченной размерами самого преобразователя.This technical result is achieved by making it possible to measure the hysteresis loop and the main magnetization curve of a ferromagnet, as well as measure its main magnetic characteristics in a local area limited by the dimensions of the converter itself.
Принцип действия устройства заключается в следующем. Преобразователь магнитной индукции располагается на объекте контроля из стали (ферромагнетика) в области, где необходимо провести измерение его магнитных характеристик. На намагничивающие катушки (2) находящиеся на магнитном сердечнике (1) подается напряжение от управляемого источника питания (5) имеющего обратную связь с микроконтроллером (6). Наличие обратной связи между микроконтроллером и источником питания позволяет изменять величину напряжения на выходе последнего в реальном времени или задавать его изменение согласно запрограммированной функциональной зависимости. При подаче напряжения на намагничивающие катушки 2 вокруг сердечника 1 возникает магнитное поле, сосредоточенное в его объеме и локально, намагничивает ферромагнетик под преобразователем магнитной индукции. Сенсор магнитного поля (3) расположенный в пазе (4) фиксирует тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью ферромагнетика, которая пропорциональна напряженности магнитного поля внутри него. Сигнал с сенсора магнитного поля (3) поступает на вход микроконтроллера (6) после чего обрабатывается им. Обработка результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над поверхностью ферромагнетика микроконтроллером проводится до получения величины намагниченности М, с учетом величины напряженности внешнего магнитного поля электрического тока намагничивающих катушек, питаемых известным напряжением. Величины напряженности внешнего поля намагничивающих катушек и намагниченности ферромагнетика с микроконтроллера 6 поступают на ЭВМ (7), где возможна их дальнейшая обработка.The principle of operation of the device is as follows. The magnetic induction converter is located on the steel (ferromagnetic) test object in the area where it is necessary to measure its magnetic characteristics. The magnetizing coils (2) located on the magnetic core (1) are supplied with voltage from a controlled power source (5) that has feedback from the microcontroller (6). The presence of feedback between the microcontroller and the power source allows you to change the voltage value at the output of the latter in real time or set its change according to a programmed functional relationship. When voltage is applied to the magnetizing coils 2, a magnetic field appears around the core 1, concentrated in its volume and locally, magnetizing the ferromagnet under the magnetic induction converter. The magnetic field sensor (3) located in the groove (4) records the tangential component of the stray magnetic field strength above the surface of the ferromagnet, which is proportional to the magnetic field strength inside it. The signal from the magnetic field sensor (3) enters the input of the microcontroller (6) and is then processed by it. The results of measuring the tangential component of the magnetic field strength above the surface of the ferromagnet are processed by a microcontroller until the magnetization value M is obtained, taking into account the strength of the external magnetic field of the electric current of magnetizing coils powered by a known voltage. The values of the external field strength of the magnetizing coils and the magnetization of the ferromagnet are sent from the microcontroller 6 to the computer (7), where their further processing is possible.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2805248C1 true RU2805248C1 (en) | 2023-10-12 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118834C1 (en) * | 1997-07-10 | 1998-09-10 | Научно-исследовательский центр прикладных проблем электродинамики Объединенного института высоких температур РАН | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
| RU2483301C1 (en) * | 2011-11-22 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) | Method for local measurement of coercitive force of ferromagnetic objects |
| RU2631236C1 (en) * | 2016-10-10 | 2017-09-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118834C1 (en) * | 1997-07-10 | 1998-09-10 | Научно-исследовательский центр прикладных проблем электродинамики Объединенного института высоких температур РАН | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
| RU2483301C1 (en) * | 2011-11-22 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) | Method for local measurement of coercitive force of ferromagnetic objects |
| RU2631236C1 (en) * | 2016-10-10 | 2017-09-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4931730A (en) | Method and apparatus for non-destructive materials testing and magnetostructural materials investigations | |
| CN112782624B (en) | Device and method for measuring coercivity of soft magnetic material | |
| Stupakov et al. | A system for controllable magnetic measurements of hysteresis and Barkhausen noise | |
| SU973040A3 (en) | Method and apparatus for measuring parameters of mechanical load on ferromagnetic body | |
| Alatawneh et al. | Design of a novel test fixture to measure rotational core losses in machine laminations | |
| Yang et al. | A new compact fluxgate current sensor for AC and DC application | |
| CN109655771B (en) | AC magnetic susceptibility measuring device and measuring method thereof | |
| JP2841153B2 (en) | Weak magnetism measurement method and device, and nondestructive inspection method using the same | |
| RU2805248C1 (en) | Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet | |
| Patel et al. | A new adaptive automated feedback system for Barkhausen signal measurement | |
| Tumański | Modern methods of electrical steel testing—A review | |
| RU2452928C2 (en) | Method of measuring deformation and apparatus for realising said method | |
| Gobov et al. | Coercimetry with magnetization by a U-shaped electromagnet | |
| RU2483301C1 (en) | Method for local measurement of coercitive force of ferromagnetic objects | |
| RU2642887C1 (en) | Gradientometer of magnetic field strength | |
| Stupakov | Measurement methods | |
| RU2654827C1 (en) | Sensor for measuring mechanical deformations | |
| SU901959A1 (en) | Device for measuring ferromagnetic material static magnetic characteristics | |
| KR101976552B1 (en) | Magnetic substance character analysis system and method | |
| Liren et al. | Magnetic performance measurement and mathematical model establishment of main core of magnetic modulator | |
| KR100361167B1 (en) | A measurement system for initial permeability | |
| RU2238572C2 (en) | Attachable ferromagnetic coercimeter | |
| Gupta et al. | From magnetic Barkhausen noise to quasi-static vector Preisach hysteresis model distribution | |
| JPH01308982A (en) | Method and apparatus for measuring magnetism | |
| Stupakov | 2.1 Historical overview |