Определение магнитных характеристик в постоянных магнитных полях

 

Определение магнитных  характеристик в постоянных магнитных  полях

 

Основным методом определения  магнитных характеристик в постоянных магнитных полях является баллистический метод.

Принципиальная  схема установки для измерения статических магнитных характеристик изображена на рис. 1.

Наиболее важными  магнитными характеристиками ферромагнитных материалов при неразрушающем контроле являются основная кривая намагничивания и петля гистерезиса. На баллистической установке основную кривую намагничивания начинают определять с выбора значений напряженности магнитного поля, для которых предполагают найти значения магнитной индукции. По значениям напряженности поля рассчитывают величину намагничивающего тока. Для образцов в форме тороидов

,

где — ток; — длина средней магнитной линии в образце; — число витков намагничивающей обмотки.

В случае применения пермеаметра напряженность поля рассчитывают по постоянной его намагничивающей обмотки или определяют с помощью специальных измерителей поля. В случае непосредственного измерения напряженности магнитного поля (например, с помощью холловских преобразователей и т. п.) 
примерно подсчитывают величину тока, требуемую для получения необходимой напряженности поля; точные ее значения определяют в процессе измерений.

Точки основной кривой индукции на предварительно размагниченном образце начинают определять с меньших значений напряженности поля (в противном случае после каждой точки пришлось бы проводить размагничивание)в следующем порядке. На все время измерений замыкают ключ , и размыкают ключ (рис. 1). Переключатель ставят в положение 2 (или 1) и с помощью реостатов , по амперметру устанавливают ток (увеличивая его от нуля)необходимый для получения первого значения напряженности намагничивающего поля. После установки тока проводят его коммутирование(магнитная подготовка), необходимое для стабилизации магнитного состояния образца. Коммутирование заключается в 10—15-кратном переключении направления тока при неизменной его величине в намагничивающей обмотке образца .

Затем переключатель  оставляют в положении 2 (или 1), замыканием ключа включают цепь измерителя и при перебрасывании переключателя в другое положение, например 1, отмечают отклонение светового пятна (стрелки) по шкале баллистического гальванометра или веберметра. Такое измерение величины отклонения при неизменном намагничивающем токе проводят 2—3 раза. Если проведенная магнитная подготовка достаточная, то величины повторных отклонений совпадают. При их несовпадении проводят дополнительное коммутирование, до тех пор, пока отклонения не будут одинаковыми.

Величину магнитной индукции в образце рассчитывают по формуле

Где - постоянная измерителя, Вб/дел.; - число витков измерительной обмотки; - сечение образца, м²; - отклонение светового пятна (стрелки), число делений шкалы измерителя.

Двойка в знаменателе формулы  появилась в результате того, что при переключении тока (см. рис. 1) магнитное состояние образца изменяется на 2В: от + В до – В.

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема баллистической установки

 

На данном рисунке: - реостаты для регулировки тока в цепи намагничивающей обмотки образца; - амперметр для измерения тока в намагничивающей обмотке образца; —переключатель

Направления тока; - амперметр для измерения тока в размагничивающей цепи; — реостаты для регулировки тока в размагничивающей цепи; — ключ, замыкающий размагничивающую цепь (цепь работает только в положении 1 переключателя ); — намагничивающая обмотка образца, пермеаметра или другого намагничивающего устройства; — измерительная обмотка образца; — магазин сопротивлений для изменения чувствительности измерительной схемы (необязателен при работе с микровеберметрами); — измеритель (традиционно используют баллистический гальванометр, в последние годы применяют также микровеберметры); — ключ в измерительной цепи; — ключ в цепи градуировки гальванометра; — ключ для успокоения баллистического гальванометра; — катушка взаимной индуктивности; — реостаты; — амперметр.

После определения показателя измерителя, соответствующего первой измеряемой точке кривой, измеритель отключают и с помощью реостатов по амперметру устанавливают второе значение тока, соответствующее большей напряженности поля ; производят коммутирование, определяют отклонение измерителя и вычисляют соответствующее значение .

В том же порядке операцию повторяют для всех следующих намеченных значений напряженности поля. Основную кривую намагничивания, как правило, строят в виде зависимости .

При определении  точек петли гистерезиса обычно находят одну ее половину (рис. 2), поскольку соответствующие точки второй половины петли отличаются только знаками индукции и напряженности поля при той же абсолютной величине.

Участок , где напряженность поля положительная, и участок , где она отрицательная, определяют несколько различающимися приемами.

Измерения на участке начинают с точки с координатами и (рис. 2), для чего в положении 1 (см. рис. 1) переключателя и при замкнутом ключе реостатами устанавливают намагничивающий ток, соответствующий максимальной для данной петли гистерезиса напряженности намагничивающего поля (обычно эта последняя измеренная точка основной кривой индукции; петля гистерезиса может быть определена так, чтобы ее вершина совпадала с любой точкой основной кривой индукции). Затем ключ размыкают и с по- 
мощью реостатов по амперметру устанавливают значение тока, соответствующее напряженности намагничивающего поля, несколько меньшей, чем (точка на рис. 2). После этого ключ замыкают, производят коммутирование тока, соответствующего напряженности поля оставляют переключатель в положении 1. Включают измеритель и отмечают отклонение его стрелки или светового пятна или цифровой отсчет при размыкании ключа . 
Отклонение пропорционально разности индукции , рассчитываемой по формуле

Индукцию  легко можно определить, так как найдено при измерении основной кривой индукции. Аналогичным способом определяют следующую точку соответствующую напряженности намагничивающего поля .

Рисунок 2 – К объяснению принципа определения точек петли гистерезиса

 

Точка петли, соответствующая значению остаточной индукции образца , получается при переводе переключателя из 
положения 1 в нулевое положение (т.е. при выключении тока в обмотке или  его отсутствии).

Измерение на участке петли (рис.2) начинают с установки 
первого значения размагничивающего поля 
, для чего в положении 1 (см. рис. 1) 
переключателя П размыкают ключ и 
реостатами устанавливают по амперметру ток, соответствующий напряженности поля много меньшей, чем коэрцитивная сила материала образца . После этого ключ замыкают, проводят коммутирование тока максимальной величины (соответствующей + ) и оставляют переключатель в положении 2; размыкают 
ключом размагничивающую цепь, включают баллистический гальванометр (микровеберметр) и, перебросив переключатель в положение 1, отмечают отклонение гальванометра . Это отклонение 
пропорционально разности индукций , которая подсчитывается 
по формуле.

Аналогично определяют вторую точку участка и т. д. до точки с координатами ( ).

Перед построением основной кривой индукции и петли гистерезиса, в   тех случаях, когда измерительная обмотка не плотно прилегает к образцу,  в полученное значение индукции вносят поправку на магнитный поток, проходящий между поверхностью образца и измерительной обмоткой. В этом случае измерительная обмотка сцеплена не только с магнитным потоком в образце, но и с магнитным потоком в воздушном пространство между поверхностью образца и обмоткой.

Измеренное значение потока (а следовательно, и магнитной индукции) больше, чем действительное. Действительно, общий измеренный поток

Физм = Ф + Ф_в,

где Ф — истинный поток в образце; Ф_в — магнитный поток в воздушном промежутке между поверхностью образца и измерительной обмоткой.

Заменяя значения потоков произведениями соответствующих индукций и сечений, получаем

,

где и — сечения измерительной обмотки и образца; — напряженность поля на поверхности образца.

Таким образом, истинное значение индукции в образце

.

При определении магнитных характеристик  конструкционных сталей возникают трудности, связанные с тем, что на тороидальных образцах невозможно получить требуемые величины намагничивающих полей, а пермеаметры, как правило, предназначены для материала со значительно более высокими коэрцитивными силами, чем у конструкционных сталей.

Магнитные характеристики таких сталей, как правило, приходится определять на образцах цилиндрической формы в намагничивающих соленоидах и вносить поправку на размагничивающее действие полюсов.

Для получения магнитных характеристик  материала, по характеристикам материала, полученным в результате их измерений в открытой магнитной цепи соленоида, необходимо для каждого значения индукции пересчитать напряженность внешнего поля (поля соленоида) в напряженность истинного магнитного поля (поля материала образца).

Такой перерасчет производят по формуле

,

где — значение индукции, для которого (на кривой намагничивания или петле гистерезиса) рассчитывается напряженность истинного намагничивающего поля; N — коэффициент размагничивания.

Для образцов с  отношением длины к диаметру > 30—40 величиной 1 — N в знаменателе формулы с достаточной для расчета степенью точности можно пренебречь.

Нормальную магнитную проницаемость рассчитывают для точек основной кривой намагничивания, определенных баллистическим методом, как отношение индукции В к напряженности намагничивающего поля . Значения можно вычислить для любых значений В или Н на этой кривой. После этого строят кривую зависимости или . По такой кривой можно более точно выбрать режимы магнитного контроля для конкретных марок сталей или вариаций их термической, механической и других видов обработок.

Дифференциальная магнитная  проницаемость в точках основной кривой намагничивания или петли гистерезиса может быть определена баллистическим методом.

Для этого образец (или намагничивающее устройство, в которое он помещается в процессе измерений) должен иметь две намагничивающие обмотки: одну — для создания напряженности поля, соответствующего заданной точке кривой намагничивания, другую — для создания приращения напряженности поля (для конструкционных сталей обычно А/см).

Сначала определяют индукцию и напряженность поля в соответствующей точке кривой намагничивания или гистерезисной петли, как описано выше. Затем при включенном основном намагничивающем поле дается приращение (с помощью второй намагничивающей обмотки). Баллистическим методом измеряют отклонения гальванометра (микровеберметра), по которому по формуле рассчитывают приращение индукции .

Дифференциальная  магнитная проницаемость

.

В ряде случаев с достаточной  для практики точностью дифференциальную магнитную проницаемость можно рассчитать по построенной кривой намагничивания или гистерезисной петле как отношение  для малых участков этих графических характеристик, которые можно принять за прямолинейные.

Магнитные характеристики конструкционных сталей в постоянных магнитных полях можно определить па баллистических установках, выпускаемых заводом «Точэлектроприбор», БУ-3 или У-5035, в которой баллистический гальванометр заменен микровеберметром Ф-190 или Ф-5050.

 

Определение магнитных характеристик в переменных магнитных полях

 

В магнитной дефектоскопии, как  правило, используют низкочастотные переменные поля (с частотами не выше 100—200 Гц).

При измерениях магнитных характеристик  на кольцевых тороидальных образцах наибольшее распространение получил  метод амперметра-вольтметра.

На рис. 3 показана принципиальная электрическая схема измерений по этому методу.

Напряженность поля можно измерить тремя способами:

1) амперметром действующих или эффективных значений с пересчетом тока в амплитудные значения; при этом основная погрешность связана с несинусоидальностью намагничивающего

тока;

2) амплитудным вольтметром; ток определяют по напряжению на образцовом сопротивлении, включенном в цепь намагничивающей обмотки;

3) вольтметром средних значений — по напряжению на вторичной обмотке катушки взаимной индуктивности; в этом случае ток рассчитывают но формуле

,

где М — коэффициент взаимной индуктивности, Г; — частота намагничивающего тока, Гц.

Процесс определения магнитных  характеристик заключается в установлении в намагничивающей цепи образца ряда значений тока, измеряемого одним из упомянутых способов, и расчете соответствующих значений максимальной индукции по среднему напряжению на измерительной обмотке образца. В качестве вольтметра средних значений целесообразно использовать прибор типа Ф-564. Индукцию (в Т) рассчитывают по формуле

,

где — частота, Гц; S — сечение образца, м²; — число витков измерительной обмотки.

Для определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов на низких частотах широко используют феррометры и феррографы.

Феррометр является фазочувствительным прибором, предназначенным для измерения мгновенных значений периодических несинусоидальных величин (индукции и напряженности поля). Принципиальная схема феррометра показана на рис. 4.

Мгновенное значение намагничивающего тока (в А) при соответствующем положении переключателя П (рис. 4) рассчитывают но формуле

,

где —  - среднее значение напряжения на вторичной обмотке катушки взаимной индуктивности, В; — частота намагничивающего тока, Гц; М — коэффициент взаимной индуктивности, Гн. 
Мгновенное значение индукции

.