Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и средств измерения магнитных характеристик ферроматериалов 5
1.1. Исследование существующих методов и устройств управления магнитным состоянием испытуемого ферромагнитного материала 5
1.2. Анализ методов и средств построения универсальных автоматических измерительных систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов 16.
1.3. Анализ существующих методов представления магнитных свойств ферромагнитных материалов и их применимости при построении измерительных систем 28
вывода 39
2. Разработка и исследование аппаратных срвдств уни версальных измерительных систем для исследования магнит ных свойств ферромашитных материалов 40
2.1. Исследование и разработка адаптивных средств управления магнитным состоянием испытуемых материалов 40
2.2. Исследование и .разработка интегрирующих устройств измерительных систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов 63
2.3. Разработка методов и устройств сбора измерительной информации о магнитных свойствах испытуемого материала 74
2.4. Программно управляемый формирователь стробирующих импульсов 86
вывода , 92
3. Разработка и исследование адаптивных методов управ ления магнитным состоянием испытуемого образца 94
3.1. Разработка и исследование беспоисковых адаптивных методов обеспечения заданных режимов перемагничивания 94
3.2, Разработка и исследование поисковых алгоритмов обеспечения заданных режимов перемагничивания при испыта нии ферромагнитных материалов 117
3.3. Разработка системы базисных функций для идентифи кации нелинейных характеристик феррообразпрв 128
4. Разработка и исследование программного обеспечения, реажзущего адашшше методы управления магнитным состоя нием и сбора измерительной информации при испытании ферроматериалов ... 136
4.1. Разработка структуры программного обеспечения измерительной системы для исследования магнитных свойств ферроматериалов 136
4.2. Способ расчета магнитных характеристик материала по результатам испытания тороидальных образцов 142
4.3. Экспериментальное исследование универсальной измерительной системы для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов 146
Заключение 157
Литература 159
Приложение 172
- Анализ методов и средств построения универсальных автоматических измерительных систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов
- Исследование и .разработка интегрирующих устройств измерительных систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов
- Разработка и исследование поисковых алгоритмов обеспечения заданных режимов перемагничивания при испыта нии ферромагнитных материалов
- Способ расчета магнитных характеристик материала по результатам испытания тороидальных образцов
Введение к работе
Качество современных электрических машин и аппаратов, электронной аппаратуры и устройств автоматики во многом определяется свойствами ферромагнитных материалов, используемых при их изготовлении. Непрерывный рост производства таких материалов, повышение эффективности научных исследований в области улучшения качества существующих и разработки новых магнитных материалов, разработки методов магнитного неразрушавдего контроля выдвигают определенные требования к аппаратуре для измерения магнитных характеристик и параметров ферромагнитных материалов. К таким требованиям относятся возможность испытания широкого класса магнитных материалов, автоматизация, широкий частотный диапазон, высокие производительность и точность измерения магнитных характеристик и параметров.
В последние годы достигнуты значительные успехи в области создания автоматической аппаратуры для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов. В то же время решение задачи создания аппаратуры, универсальной по отношению к типу испытуемого материала, затруднено в рамках существующего подхода, заключающегося в разработке узкоспециализированных средств и требующего разнообразной номенклатуры средств измерения.
Принципиальная возможность создания универсальных измерительных средств вытекает из общности физических процессов и единого характера задач, возникающих при испытании магнитных материалов различного типа. К числу таких задач относятся управление магнитным состоянием испытуемого материала, сбор и обработка информации о его магнитных свойствах. Обеспечение высокого уровня автоматизации решения этих задач для широкого класса
магнитных материалов в условиях неопределеннотси начальной информации об их магнитных свойствах приводит к необходимости привлечения адаптивных методов для их решения.
В настоящее время достигнут высокий технический уровень вычислительной техники, приборов и средств автоматизации благодаря применению новейших достижений микроэлектроники. Использование этих средств позволит реализовать сложные процедуры испытания ферромагнитных материалов. Поэтому задача создания адаптивных методов и средств для испытания ферромагнитных материалов является практичеки выполнимой.
Тема диссертации совпадает с основным направлением научных исследований, проводимых в ОмПЙ в соответствии с межвузовской целевой программой работ на 1981 - 1985 годы "Разработка и применение методов средств неразрушающего контроля качества промышленных изделий" (приказ МБ и ССО СССР J6 1146 от 01.12.81г.).
Перечисленные обстоятельства обуславливают актуальность темы, решаемой в диссертационной работе, и определяют цель и основные задачи исследования.
Анализ методов и средств построения универсальных автоматических измерительных систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов
Непрерывный рост номенклатуры производимых ферромагнитных материалов выдвигает задачу построения измерительных систем, обладающих свойством универсальности по отношению к типу испытуемого материала [23] .
Практическая актуальность разработки универсальных измерительных систем для исследования свойств ферромагнитных материалов определяется, прежде всего экономичесшЕми: факторами. Каждый специализированный измерительный прибор предназначен для измерения ограниченного набора магнитных параметров и характеристик относительно узкого класса магнитных- материалов. Для решения новой измерительной задачи необходим другой специализированный измерительный прибор или система, что увеличивает затраты пропорционально числу измеряемых параметров. С помощью универсальных средств подобные задачи решаются экономичнее, поскольку многие блоки измерительных систем являются общими.
В отношении необходимости разработки универсальных измерительных средств весьма иллюстративно сопоставление эволюции развития измерительной техники с развитием наиболее перспективной области техники, связанной с применением электроники и автоматики, -вычислительной техники, предложенное Бахмутским В.Ф. [24] : "...Подобно тому, как вычислительная техника начиналась с интенсивного развития специализированных вычислительных устройств и постепенно пришла к универсальным электронным цифровым машинам... и автоматизированным системам управления с их использованием, измерительная техника проходит, в принципе, те же стадии развития - от специализированных измерительных устройств к универсальным цифровым из мерительным приборам и системам". Аналогичная ситуация складывается и в рассматриваемой области измерительной техники, связанной с разработкой приборов и систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов.
Универсальность магнитоизмерительных систем (МИС) [2] по отношению к типу испытуемого материала влечет за собой требования универсальности такой аппаратуры по отношению к методике испытания, частоте перемагничивания и амплитуде намагничивающего поля.
Возможность создания измерительных систем, удовлетворяющих указанным выше требованиям, обусловлена во-первых, тем, что, несмотря на широкое разнообразие методик испытания, можно выделить ряд общих задач, решаемых независимо от выбранной методики испытания, частоты перемагничивания и типа материала. К числу этих задач относятся: управление магнитным состоянием испытуемого образца, извлечение измерительной информации и ее обработка [25] . Во-вторых, независимо от типа испытуемых материалов в измерительных установках всегда присутствуют такие технические средства, как усилитель мощности (для передачи управляющего воздействия на испытуемый образец), первичные преобразователи того или иного вида (индукционные, гальваномагнитные, ферромодуляционные) и такие электронные узлы для первичной обработки информации, как измерительные усилители, интеграторы, стробпреобразователи [2] . Эти средства в известной степени универсальны. Действительно, в настоя щее время возможно создание усилителя мощности, позволяющего осуществлять перемагничивание с частотой от 0 до 100 кГц при выходном токе до 20 А и напряжении до 400 В, что в свою очередь позволит производить испытания как магнитотвердых, так и магнитомягких материалов. Кроме того, достигнутый на сегодняшний день уровень развития элементной базы приборостроения не создает никаких про блем для создания измерительных усилителей, работающих в диапазоне частот от 0 до 10 МГц с коэффициентом передачи до 10 [26,27] , что позволит производить испытания ферромагнитных материалов на частотах от 0 до ІООкГц. Кроме того, появились недорогие электронные вычислительные машины (ЭВМ), особенно мини- и микро-ЭВМ, а также приборы, допускающие дистанционное цифровое управление, и в первую очередь аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП), что позволяет осуществить сопряжение объекта измерения - испытуемого образца с ЭВМ. Таким образом, вопрос создания универсальных МИС, позволяющих производить испытания широкого класса материалов, является не только актуальным, но и своевременным.
Требование повышения производительности и достоверности -испытаний выдвигает задачу комплексной автоматизации измерения магнитных параметров и характеристик. Указанная задача должна включать в себя автоматизацию всех операций, сопутствующих процессу испытания магнитных материалов. К таким операциям в общем случае относятся: изготовление образца, нанесение обмоток, установка в магнитную систему, размагничивание, магнитная аккомодация, обеспечение заданного режима перемагничивания, сбор и обработка измерительной информации. Вопросы автоматизации первых трех механических операций рассмотрены в [23,28] .
Итак, определение параметров и характеристик магнитных материалов состоит в выполнении ряда операций в соответствии с определенным алгоритмом, специфичным для каждой конкретной методики испытания. Существуют два способа практической реализации алгоритмов [29,30] : аппаратный и программный.
При аппаратной реализации каждая операция выполняется специализированными блоками, например такими, как блок определения по- терь на перемагничивание, блок деления и так далее, а алгоритм испытания в целом реализован в блоке управления [23] . Примерами такого рода устройств являются устройства [31-34] , представленные в докладах на УІ Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам магнитных измерений -иг магнитоизмерительной аппаратуры, состоявшейся в Ленинграде в 1983 году. Основным недостатком устройств полобного рода является их узкая направленность на решение одной задачи и невозможность перестройки на решение другой измерительной задачи.
Другой путь практической реализации алгоритмов измерения заключается в использовании программного подхода [30] , суть которого состоит в том, что измерение производится ъ соответствии с программой, хранимой в запоминающем устройстве. Смена алгоритма измерения производится в этом случае более дешевыми средствами, чем в предыдущем случае. Однако эффективная реализация программного способа стала возможной толысо с использованием мини- и микро-ЭВМ, появление которых позволяет в корне пересмотреть концепции организации измерительных систем, ориентированных на испытания ферроматериалов и изделий из них, и характер решаемых ими задач [35] . Такое явление связано с рядом существенных отличий мини-ЭВМ от традиционных ЭВМ, ориентированных на вычисления. В СССР мини-ЭВМ получили название управляющих вычислительных комплексов, что подчеркивает их основные характеристики и направленность использования. Заметим, что толчком к разработке мини-ЭВМ послужила проблема автоматизации эксперимента [36] .
Основное преимущество способа аппаратной реализации алгоритмов измерения состоит в большей скорости выполнения операций, что приводит к повышению производительности испытаний. В большинстве случаев, однако, производительность испытаний ограничивается не
Исследование и .разработка интегрирующих устройств измерительных систем для исследования магнитных свойств ферромагнитных материалов
Среди функциональных узлов измерительных систем, предназначенных для автоматизации испытания магнитных материалов, важное место занимает преобразователь магнитного потока. Известные измерители магнитного потока, такие, как баллистический гальванометр, магнитоэлектрический веберметр не могут быть использованы в измерительных системах вследствие отсутствия у них выходного электрического сигнала [91] .
В то же время, существующие в настоящее время микровебер-метры также не в полной мере удовлетворяют требованиям по полосе частот, пределам измерения и погрешности интегрирования, причем уменьшение последней до пределов, которые гарантирует индукционный метод, является актуальной задачей [83] . Кроме того, для обео печения конструктивной и функциональной совместимости системы необходимо, чтобы функцию интегрирования как в квазистационарном режиме, так и при испытании на переменном токе выполнял один блок. Фотогальванометрические и гальванометрические интегрирующие устройства не удовлетворяют указанному требованию, поэтому необходимо исследование и разработка электронных интегрирующих устройств, не имеющих промежуточных преобразователей электрического сигнала в механический.
По принципу построения электронных интеграторов намечаютсятри основные тенденции: использование промежуточного преобразования напряжение - частота [84,92,93], использование операционного усилителя, охваченного емкостной обратной связью [17,94], цифровое интегрирование по методу прямоугольников [47]. Реальные характеристики интегратора на базе операционного усилителя зависят от его параметров, и прежде всего от значения коэффициента усиления и входного сопротивления р- ОУ [26];где t;=RC - постоянная времени интегратора,соотношение (2.7) можнопереписать в виде:Переходя от изображения к оригиналу, получим зависимостьво временной области:
Второе слагаемое представляет собой ошибку интегрирования, величина которой обратно пропорциональна коэффициенту усиления. Из (2.9) следует также, что изменяя постоянную интегрирования, можно регулировать уровень полезного выходного напряжения.Из (2.8) следует, что при ступенчатом воздействии и нулевых, начальных условиях реакция реального интегратора имеет вид:При К—-00 имеем Из (2.10) и (2.II) следует выражение для относительной ошибки интегратора, обусловленной конечной величиной коэффициентаусиления и входного сопротивления ОУ.Относительная ошибка интегратора, вызванная смещением нулевогоуровня, определяется выражением [26] :Второе слагаемое в выражении (2.13) учитывает разряд накопительной емкости через вход ОУ.Произведем оценку ошибок по формулам (2.12) и (2.13) для существующих типов ОУ. Как видно из формул (2.12) и (2.13), составляющие ошибки интегрирования зависят от времени t , которое определяется временем испытания магнитного материала. Последнее, в свою очередь, определяется"выбором вида испытания и размерами образца, его электрическими и магнитными свойствами, параметрами намагничивающих оомоток и т.д. Пусть, например, t =Ю0с. Для оценки постоянной времени X положим, что испытанию подвергается образец с сечением I мм2 и индукцией I Тл, тогда величина потоко-сцепления при о5 = ЮО составит:
При выходном напряжении интегратора І В величина постоянной интегрирования составит:Расчеты для существующих типов ОУ показывают, что ни один из ОУ не удовлетворяет в полной мере требованиям по погрешности интегрирования. Оценка требований к параметрам ОУ из условия допустимой ошибки интегрирования 0,1 дает:
Таким образом, простейшая структура интегратора на базе ОУ выдвигает такие требования к параметарм ОУ, которые при существующем уровне технологии изготовления не могут быть удовлетворены.Основной недостаток этой схемы - накопление погрешности интегрирования, обусловленной напряжением смещения ОУ.Качественные показатели интеграторов с использованием принципа преобразования входного напряжения в частоту импульсов определяются характеристиками преобразователя напряжение - частота. Для наилучшего из таких преобразователей, построенного по принципу компенсации заряда конденсатора, включенного в цепь обратной связи ОУ [95], остаются в силе погрешности, обусловленные напряжением смещения и входными токами операционного усилителя. Кроме того, к указанным составляющим погрешности добавляются составляющие, связанные с нестабильностью и несимметричностью компенсирующих порций заряда, а также с напряжением смещения компараторов, применяемых в составе преобразователя.
Основное преимущество интеграторов рассматриваемого принципа действия - удобство представления результата в цифровой форме, не является определяющим в выборе данного способа интегрирования.
Рассмотрим способ интегрирования, применяющийся [47] в системе измерения магнитных характеристик, использующей микро-ЭВМ. Суть способа заключается в том, что в процессе перемагничивания с помощью аналого-цифрового преобразователя производится выборка значений э.д.с. измерительной обмотки образца, а функции веберметра реализованы программно-вычислительной машиной.
Реализация этого способа, однако, выдвигает следующие задачи. В главе I указывалось на необходимость создания измерительной системы для исследования магнитных свойств магнитных материалов, которая должна быть универсальной по отношению к методике испытания.
При реализации данной системой импульсно-индукционного способа испытания (ГОСТ 15058-69) форма э.д.с. измерительной обмотки имеет вид экспоненциальных импульсов, суммарное время действия которых значительно меньше периода полного цикла испытания. Спектр э.д.с. такой формы достаточно широк, поэтому требования по быстро-действию аналогоцифрового преобразователя, а также к скорости ввода в ЭВМ и объему памяти (для хранения выборок) оказываются достаточно жесткими. Указанное положение вытекает из теоремы Ко-тельникова, согласно которой для неискаженной передачи сигналов :-: частота дискретизации его по времени должна вдвое превышать максимальную частоту в спектре сигнала [96].Произведем оценку указанных величин. При испытании магнито-мягкого образца с сечением I мм2 и проводимостью 6=Z -106ir— и
Разработка и исследование поисковых алгоритмов обеспечения заданных режимов перемагничивания при испыта нии ферромагнитных материалов
Время решения задачи обеспечения заданного режима перемагничивания можно представить в виде:Т - % + Т2 . где Тх - время, затраченное на перемагничивание используемого образца, Т2 - время, в течение которого ЭВМ производит вычисления для подготовки к очередному циклу перемагничивания.
В предложенных выше беспоисковых алгоритмах велик удельный вес второй составляющей. Поэтому время, затраченное на достижение заданного режима перемагничивания,определяется в основном не длительностью периода перемагничивания, а быстродействием применяемой ЭВМ.
Применение поисковых алгоритмов позволит,за счет упрощения вычислений,уменьшить То и тем самым повысить производительность измерительной системы. При таком подходе, однако, время Т будет определяться в основном периодом перемагничивания, а потому преимущества поисковых алгоритмов будут реализованы только при пе-ремагничивании на переменном токе.
Кроме того, основная причина, на основании которой при разработке адаптивных методов обеспечения заданных режимов перемагничивания были отвергнуты поисковые методы, заключается в длительности определения функционала качества (для этого необходим хотя бы один период перемагничивания), и при испытании на переменном токе становится менее существенной. Указанные обстоятельства и обуславливают необходимость разработки и исследования поисковых алгоритмов обеспечения заданных режимов перемагничивания в дина мическом режиме.
Постановка задачи. При условии отсутствия априорной информации о магнитных свойствах испытуемого образца требуется обеспечить изменение магнитной индукции в образце (или напряженности) по заданному закону.
Представим сигнал, выводимый из ЭВМ,в виде:где ф. (t) - заданная система линейно независимых функций на ин тервале 0 t ТaL - коэффициенты спектрального разложения.Т.к. сигнал S(t) неизвестен, коэффициенты aL спектральногоразложения не могут быть найдены по формулам:о поэтому коэффициенты aL определяются в поисковых алгоритмахпутем минимизации некоторого функционала качества Ф в процессе проведения измерительного эксперимента. Вид функционала определяется требуемым видом закона перемагничивания. Пусть;например, требуется обеспечить заданный закон изменения индукции магнитного поля 6(t)=6,(t), где 6, (t) некоторая заданная на интервале [0,Т) периодическая функция. Тогда в качестве функционала качества следует взять норму, характеризующую степень отличия заданной кривой 53(t) от реальной кривой 6(t) изменения индукции при пере-магничивании образца. Указанная норма, в свою очередь,может бытьопределена в следующих вариантах [112] :\\Z\\ { \zz(t)(ity (3.30)IZII,»maxZ(t) что соответствует введению различных типов нормированных пространству каждого из которых принято свое определение нормы (Z -элемент этого пространства).
В соответствии с приведенными определениями нормы можно ввести различные расстояния между элементами линейного нормированного пространства, что приводит к следующим определениям функционала качества:тчто,в свою очередь,соответствует использованию трех различных видов погрешности, характеризующей степень отличия закона изменения магнитной индукции в образцебСЬ) от заданного закона 68(t)
Таким образом, задача обеспечения заданного режима перемаг-ничивания сводится к нахождению коэффициентов спектрального разложения в каком-либо функциональном базисе [ (і)} путем минимизации функционала качества Ф выбранного вида. Однако для реализации этого способа необходимо решить вопросы выбора системы функции {ф. (Ь)\ , а также алгоритма минимизации функционала качества Ф.
При рассмотрении задачи обеспечения заданного режима пере-магничивания в общем виде вопрос о выборе функционального базиса и спектральной размерности намагничивающего сигнала не возникает, так как предопределение последних связано с потерей общности. Но при использовании общего способа для синтеза конкретных законов намагничивания применительно к тому или иному испытуемому материалу требуется выбирать конкретную ортогональную систему базисных функций и задавать или экспериментально определять конкретное значение спектральной размерности модели намагничивающего сигнала.
Основные требования, которые должны учитываться при выборе базиса, состоят в том, чтобы он обеспечивал, во-первых, простоту и быструю сходимость алгоритма минимизации функционала Ф, и во-вторых, наименьшую спектральную размерность модели сигнала при заданной допустимой погрешности обеспечения заданного режима пе-ремагничивания. При выборе базиса важно также учитывать степень его универсальности, т.е. применимости для достаточно широкого класса испытуемых материалов. Иначе говоря, требования универсальности магнитоизмерительной системы по отношению к типу испытываемого материала выдвигает аналогичное требование к системе базисных функций.
Кроме того, при выборе базиса следует учитывать степень "грубости", т.е. устойчивости минимума функционала Ф по отношению к ошибкам воспроизведения синтезируемого намагничивающего сигнала, вызванным неточностью расчета и неидеальностью характеристик входящих в измерительную систему устройств.
Таким образом, при выборе базиса необходимо учитывать одновременно несколько предъявляемых к нему требований, что, конечно, существенно затрудняет строгое формальное решение данного вопроса. Кроме того, вопрос выбора базиса не следует рассматривать изолированно от вопроса алгоритма поиска минимума функционала Ф.
Решение указанных вопросов целесообразно начать с исследований возможности использования существующих систем ортогональных базисных функций.
Широкое применение для аппроксимации периодических функций нашла система гармонических функций. Последнее обусловлено тем, что система синусоидальных функций является собственной для линейных систем с постоянными параметрами. Однако,ферроматериал-нели нейный объект, поэтому система синусоидальных функций, вообще говоря,может оказаться не лучшей в смысле минимума спектральной размерности. В гл.1 и 2 было показано, что в качестве основы аппаратной реализации измерительной системы целесообразно выбрать цифровую элементную базу. С этой точки зрения заслуживает внимание ортогональная система функций Уолша, которая является такой же идеальной для линейных неинвариантных во времени систем, построенных на основе цифровых элементов с двумя устойчивыми состояниями, как и система синусоидальных функций для линейных инвариантных во времени цепей.
Кроме упомянутых, следует рассмотреть возможность использования систем функций Хаара, а также системы прямоугольных функций [19] .
Прежде чем рассматривать возможные алгоритмы минимизации функционала Ф покажем существование решения указанной задачи. Для этого рассмотрим задачу обеспечения заданного закона измененияиндукции в испытуемом образце. Пусть индукция магнитного поля вобразце изменяется по заданному синусоидальному закону. При этом: очевидно, что если при требуемом законе изменения индукции точка фазового пространства {в,н) не выходит за пределы допустимой области, ограниченной предельной динамической петлей гистерезиса, существует такой закон изменения намагничивающего тока, при котором магнитная индукция в образце изменяется по требуемому закону. Используя свойство функциональной полноты указанных базисов,можно заключить, что требуемый закон изменения намагничивающего тока будет достигнут. Тем самым будет достигнут и требуемый закон изменения индукции, что соответствует минимуму функционала Ф, как необходимого условия достижения требуемого закона перемагничива-ния.
Способ расчета магнитных характеристик материала по результатам испытания тороидальных образцов
Известно, что испытания ферромагнитных материалов производятся на образцах определенной формы, изготавливаемых из испытуемого материала. При этом о магнитных свойствах материала судят по результатам испытания этих образцов. Форма образца, однако, искажает магнитные характеристики. Поэтому актуальной задачей является разработка такого алгоритма обработки измеренной информации, который позволил бы по известным магнитным характеристикам и геометрии испытуемого образца получить соответствующие характеристики материалов. Эту задачу в общем случае следует решать путем рассмотрения конфигурации поля внутри испытуемого образца. Однако, расчет магнитного поля (например, методом сеток[ 24] ) в двух- или трехмерном пространстве, особенно с учетом нелинейности среды, - достаточно сложная задача, требувдая больших объемов вычислений.
Рассмотрим методику решения указанной задачи на примере расчета основной кривой намагничивания для тороидального образца [125] . Задача нахождения магнитных характеристик тороидального образца по известным характеристикам материала, т.е. прямая задача, решена в [79] . Ниже приводится решение обратной задачи.
Обозначим через 6 и h магнитною индукцию ж напряженность поля материала сердечника, а через В и Н - среднее (измеренное) значение индукции и напряженности поля сердечника. Связь между величинами В и б , Н и h выражается следующим образом [80] : выражение представляет собой интегральное уравнение Вольтерра первого рода, т.к. искомая функция входит только под знак интеграла. Очевидно, что аналитическое решение этого уравнения затруднено, т.к. исходная зависимость В (Н) задана набором измеренных значений {В , fy)
Рассмотрим варианты численного решения задачи. Один из подходов заключается в использовании следующей итерационной процедуры. Вначале из физических соображений произвольно задается кривая 6(h) , а именно, 6(h)-В(Н)
Затем, исходя из известной величины Н-ь , из (4.5) находится распределение напряженности магнитного поля h в образце вдоль радиуса. Используя (4.4), определяется индукция В1 для образца, которая бы имела место при первоначально принятой зависимости 6(h) .На основе сравнения В и В в кривую 6(h) вносится поправка, и процесс повторяется до тех пор, пока кривые В и
В1 не совпадут с заданной точностью 3 . Машинные эксперименты по реализации этого метода показали его медленную сходимость, что затрудняет использование этого метода.
Разобьем интервал изменения h на ряд участков (h. ,h.+1) »іє [і,СІ Разбиение следует производить таким образом, чтобы на участках, где кривая В(Н) имеет наибольшую кривизну, точки располагались более плотно.
Представим кривую 6(h) в виде:
Очевидно, что (4.10) представляет собой систему линейных относительно б- (\4 К 6) уравнений. Решение этой системы и пред-ставляет искомую зависимость 6(h) . Система уравнений решалась методом наименьших квадратов. Ддя этого необходимо, чтобы количество точек исходной зависимости В(Н) в 2-3 раза превышало число точек зависимости 5(h) . Время расчета при о =80, I 20 на ЭВМ типа "Электроника ДЗ-28" составило 19 мин.
Определение других характеристик материала, например, петли гистерезиса производится по аналогичной методике.
Таким образом, приведенная методика позволяет по известным магнитным характеристикам тороидального образца определеитъ магнитные характеристики материала, жз которого он изготовлен. При этом расчетная зависимость 6(h) для-материала имеет погрешность, не превышающую погрешности исходной зависимости для образца.
Структурная схема универсальной измерительной системы приведена на рис. 4.2. Схема содержит канал намагничивания, включающий в себя буферное ОЗУ емкостью 1024 двенадцатиразрядных слов, выполненное на микросхемах типа І55РУ7, десятиразрядный счетчик адреса СчА, счетчик Сч, выполняющий функцию делителя частоты с переменным коэффициентом деления, задающий генератор, схему сравнения кодов ССК и регистр адреса выборки Rg . Кроме того, канал намагничивания включает в себя цифро-аналоговый преобразователь, фильтр и усилитель мощности с высоким выходным сопротивлением. Измерительная часть содержит два идентичных канала, каждый из которых состоит из аналого-цифрового преобразователя и усилителя с управляемым коэффициентом усиления и управляемой постоянной времени его переходной характеристики. Дяя осуществления возможности программного управления структурой системы в нее введен матричный коммутатор К.Целью исследования явилось экспериментальное определение функциональных возможностей системы,а" также ее метрологических характеристик. Определение метрологических характеристик системы производилось двумя методами [126] : поэлементно- по мерам магнитного потока (катушкам взаимной индуктивности) и образцовым амперметрам, комплексно- по стандартным образцам.
При комплектной поверке образцовая мера в виде катушки взаимной индуктивности была присоединена к системе вместо испытуемого образца. Поверка производилась при периоде пережагничивании, равном 100 с. Последовательно с первичной обмоткой катушки взаимной индуктивности был подключен амперметр типа Р386 класса точности 0,1%. В результате сопоставления значений токов, измеренных исследуемой системой и образцовым амперметром, удалось выявить погрешности измерения тока, среднеквадратическое значение которой по результатам многократных измерений составило 0,31$. С учетом определенного по образцовым средствам коэффициента преобразования канала измерения тока, была произведена поверка каналов измерения потокосцепления на нескольких частотах перемагничива-ния. Полученные в результате измерения значения потокосцепленияФ- , соответствующие значениям тока IL- на частоте перемаг-ничивания j. , были сопоставлены с значениями потокосцепления, расчитанными по формуле:
Среднеквадратичная оценка погрешности измерения потокосцепления составила для первого канала 0,43$ и для второго - 0,56$ при частоте перемагничивания 0,01 Гц (рис. 4.3).
Методические погрешности измерения, связанные с объектом измерения, удается выявить только при поверке измерительной системы по стандартным образцам. Проведенные на серии стандартных образцов измерения магнитных характеристик в квазистатическом режиме перемагничивания показали, что отклонения по максимальной индукции не превышают 1$, а по коэрцитивной силе - 1,2$. На рис. 4.6 - 4.10 для примера показано семейство петель гистерезиса некоторых ферромагнитных материалов.
Оценка воспроизводимости результатов испытаний производилась по среднеквадратической погрешности ряда повторных испытаний, при испытании в один день и в разные дни. Установлено, что указанная погрешность не превышает 0,2$. Следовательно, случайная погрешность значительно меньше неисключенных остатков систематической погрешности, что позволяет сделать вывод о высокой точности испытаний при относительных измерениях.Таким образом, разработанная измерительная система (рис. 4. II) может быть рекомендована для автоматизации испытания широкого класса магнитных материалов.
