Введение к работе
Актуальность работы определяется тем, что она отвечает насущной потребности в развитии методов и средств прецизионных измерений динамических магнитных характеристик магнитомягких материалов (МММ) и совершенствованию метрологического обеспечения контроля качества МММ, от которых во многом зависит совершенство электрических машин и аппаратов, электронной аппаратуры и устройств автоматики.
В настоящее время в государственный реестр средств измерений (СИ) России внесено около 10 рабочих СИ, предназначенных для измерения динамических магнитных характеристик МММ в соответствии с имеющимися нормативными документами на методы измерений. Подобные установки используют в качестве рабочих СИ для выходного и входного контроля качества МММ на предприятиях, выпускающих и потребляющих эти материалы, а это только одной электротехнической стали около 0,5 млн тонн в год.
Поверку магнитоизмерительных установок обычно проводят с использованием стандартных образцов (СО) магнитных свойств.
Для определения метрологических характеристик СО в ФГУП «Уральском научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «УНИИМ»), специализирующемся на обеспечении единства измерений магнитных свойств МММ, до 1993 г. использовались аналоговые образцовые измерительные установки ДП-1, ВОЛНА, а с 1993 г. цифровая установка высшей точности УВТ 82-А-93, разработанная и изготовленная при активном участии автора данной работы.
Недостатком такого состояния метрологического обеспечения являлось, то, что все эти установки имели недостаточно высокие метрологические характеристики (диапазон измерения удельных магнитных потерь от 0,3 до 160 Вт/кг, расширенная неопределенность измерения 1-2,5 %).
Поэтому для повышения точности и поднятия статуса измерений магнитных свойств МММ по предложению автора работы, поддержанного администрацией ФГУП «УНИИМ», в 2008 г. Управлением метрологии Росстандарта было принято решение создать на основе установки УВТ 82-А-93 государственный первичный эталон (ГЭТ) единиц мощности магнитных потерь.
Выбор магнитных потерь как воспроизводимой ГЭТ физической величины был обусловлен тем, что это - важнейшая динамическая характеристика МММ, необходимая при проектировании и производстве изделий из МММ, также применяемая в качестве нормативной при производстве наиболее массового МММ - электротехнической стали.
Цель диссертационной работы состоит в развитии методов и средств прецизионных измерений магнитных характеристик МММ в динамических режимах перемагничивания и в разработке на этой основе эталонных СИ мощности магнитных потерь с улучшенными по сравнению с существующими СИ метрологическими характеристиками, а также в
разработке комплекса мер по обеспечению единства измерений мощности магнитных потерь в РФ. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи исследования Задачи исследования:
-
Разработать приемы и методы определения магнитных характеристик МММ по измеренным массивам мгновенных значений электрических сигналов первичных преобразователей, позволяющие поднять точность измерений в 1,5-2 раза по сравнению с существующими эталонными СИ.
-
Выработать технические решения реализации метода прецизионного аналого-цифрового преобразования мгновенных значений электрических напряжений, по которым рассчитываются динамические магнитные характеристики. Выработанные решения должны обеспечивать выполнение метрологических требований по созданию государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь.
-
Исследовать и описать аналитически влияние на удельные магнитные потери (Руд.) стандартных образцов отклонений режима перемагничивания от режима синусоидальной магнитной индукции, температуры t, амплитуды магнитной индукции Вт при малых отклонениях влияющих величин от номинальных.
4 Исследовать влияние числа закладок N стандартного образца из
анизотропной электротехнической стали в аппарат Эпштейна на Руд.
5 Разработать поверочную схему, устанавливающую порядок
воспроизведения единиц мощности магнитных потерь при помощи
государственного первичного эталона и порядок передачи этих единиц
рабочим СИ.
6 Разработать государственные СО удельных магнитных потерь
(СО УМП) электротехнической стали в виде листов и в виде полос для
поверки СИ мощности магнитных потерь и СО динамических магнитных
свойств МММ для поверки установок, измеряющих характеристики образцов
тороидальной формы.
Научная новизна.
-
Впервые для повышения точности измерения магнитных потерь предложено проводить периодическую цифровую градуировку каналов магнитного поля и магнитной индукции по калибратору переменного напряжения и учитывать влияние малых отклонений температуры t, амплитуды магнитной индукции Вт и коэффициента гармоник Кг от номинальных на Руд.
-
Впервые созданы алгоритмы и программы, позволяющие поднять точность определения комплекса магнитных характеристик МММ по измеренным массивам мгновенных значений электрических сигналов, что позволило в 1,5-2 раза улучшить метрологические характеристики эталонных СИ.
-
Создана установка ЦИКЛ с наилучшими в стране метрологическими характеристиками, ставшая основой государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь - ГЭТ 198-2011.
4 Разработана и утверждена «Программа и методика периодической
аттестации государственного первичного эталона ГЭТ 198-2011» в
соответствии с нормативными документами Росстандарта.
5 Создана государственная поверочная схема, устанавливающая порядок
воспроизведения и передачи единиц мощности магнитных потерь,
утвержденная и зарегистрированная в ранге национального стандарта (ГОСТ
Р 8.799-2012).
6 Показано, что коэффициент гармоник Кг напряжения на
измерительной обмотке СО более полно и однозначно по сравнению с
коэффициентом формы Кф, отражает величину и характер малых отклонений
формы кривой магнитной индукции от синусоидальной.
Предложено в нормативных документах вместо коэффициента формы Кф напряжения на измерительной обмотке СО использовать коэффициент гармоник Кг в качестве параметра, характеризующего малые отклонения режима перемагничивания от режима синусоидальной магнитной индукции.
Полученные автором новые результаты легли в основу нормативной и технической базы национальной системы метрологического обеспечения измерений магнитных потерь в МММ на основе применения государственных СО свойств МММ.
Теоретическая и практическая значимость работы. В 2011 г. на базе установки ЦИКЛ, разработанной автором диссертации и обладающей высокими метрологическими характеристиками, создан государственный первичный эталон единиц мощности магнитных потерь в МММ в синусоидальных режимах перемагничивания в диапазоне частот от 50 до 2-Ю5 Гц (ГЭТ 198-2011).
В 2013 г. зарегистрирована и введена в действие государственная поверочная схема для средств измерений мощности магнитных потерь (ГОСТ Р 8.799-2012).
Автором диссертации разработаны и внесены в Государственный реестр СО два новых типа листовых государственных СО удельных магнитных потерь электротехнической стали (ГСО 2129-89 и ГСО 5357-90) и два новых типа СО удельных магнитных потерь, параметров кривой намагничивания и петель гистерезиса МММ (ГСО 5356-90 и ГСО 1382-89) в виде полос и колец.
Впервые в стране решена проблема воспроизведения единиц мощности магнитных потерь с помощью ГЭТ 198-2011 и передачи этих единиц с использованием ГСО УМП рабочим СИ.
Предприятиям страны переданы по договорам в 2009 - 2013 гг государственные стандартные образцы магнитных свойств 7 различных типов в количестве более 200 экземпляров для поверки магнитоизмерительных установок.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1 Алгоритмы вычислений магнитных величин по измеренным массивам мгновенных значений электрических сигналов с учетом
результатов градуировки измерительных каналов и учетом влияющих величин, что обеспечивает прецизионное определение магнитных величин.
2 Разработка, исследование метрологических характеристик и
аттестация государственного первичного эталона ГЭТ 198-2011,
предназначенного для хранения и воспроизведения единиц мощности
магнитных потерь в МММ.
-
Программа и методика метрологической аттестации эталонных СИ для прецизионных измерений свойств МММ.
-
Поверочная схема для средств измерений мощности магнитных потерь МММ, ставшая государственной (ГОСТ Р 8.799-2012).
-
Результаты исследования влияния амплитуды магнитной индукции, температуры и отклонения режима перемагничивания от режима синусоидальной индукции на удельные магнитные потери СО МММ при малых отклонениях указанных величин от номинальных.
Достоверность результатов подтверждается использованием при измерениях только поверенных средств измерений и стандартных образцов удельных магнитных потерь утвержденных типов. Основные измерения характеристик образцов МММ выполнены на эталоне ГЭТ 198-2011, высокие метрологические характеристики подтверждены проведенными международными сличениями ФГУП «УНИИМ», Физико-техническим институтом (РТВ) Германии и Чешским метрологическим институтом (CMI) Чехии.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и совещаниях:
по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов: 1974 г. (Череповец), 1978 г. (Челябинск), 1984 г. (Москва);
по проблемам магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры: 1977 г. (Ленинград), 1983 г. (Ленинград), 1983 г. (Омск), 1989 г. (Ленинград);
по проблемам метрологического обеспечения испытаний магнитомягких материалов: 1978 г. (Челябинск), 1980 г. (Свердловск), 1982 г. (Свердловск), 1985 г. (Свердловск), 1990 г. (Свердловск), 1991 г. (Углич), 1998 г. (Екатеринбург);
на III Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Стандартные образцы в измерениях и технологиях» 2011 г. (Екатеринбург);
на 1-ой международной научной конференции «Стандартные образцы в измерениях и технологиях» 2013 г. (Екатеринбург).
Публикации. Всего по теме диссертации 32 печатных труда, из них 17 в журналах, рекомендованных ВАК, в т.ч. два авторских свидетельства. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений.
Общий объем работы составляет 190 страниц текста, 29 рисунков (графиков), 27 таблиц. В списке цитируемой литературы 173 названия.
