Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 10
1.1. Особенности технологического процесса производства постоянных магнитов 10
1.2. Выбор системы управления технологическим процессом изготовления постоянных магнитов 15
1.3. Особенности постоянного магнита как объекта испытаний 33
1.4. Требования к методу испытания постоянных магнитов 36
1.5. Обзор и анализ методов испытания постоянных магнитов 37
1.5.1. Способы создания и изменения внешнего магнитного поля 37
1.5.2. Измерители магнитной индукции 43
1.5.3. Измерители напряженности магнитного поля 44
1.6. Методы измерения характеристик материалов постоянных магнитов при их испытаниях в полуразомкнутых магнитных системах 51
1.7. Обзор и анализ устройств для испытания постоянных магнитов 52
1.8. Выводы и постановка задачи исследования 55
2. Теоретическое обоснование и разработка методики испытаний постоянных магнитов 57
2.1. Методика производственных испытаний ПМ 57
2.2. Методика классификации магнитотвердых материалов
по форме кривой размагничивания 58
2.3. Теоретические основы и принцип алгоритма адаптивно-ступенчатого управления размагничивающим полем 72
2.4. Расчет оптимального количества шагов при использовании адаптивно-ступенчатого алгоритма 85
2.5. Разработка программного обеспечения устройств активного контроля ПМ на основе адаптивно-ступенчатого алгоритма перемагничивания 87
2.6. Выводы 92
3. Разработка методики измерения напряженности магнитного поля на поверхности постоянных магнитов 93
3.1. Модель топографии магнитного поля в окрестностях ПМ при их испытаниях в полуразомкнутых магнитных системах 93
3.2. Методика измерения напряженности магнитного поля на поверхности постоянных магнитов 102
3.3 Принцип построения и исследование трехсекционного ферромодуляционного преобразователя 110
3.4 Расчет параметров трехсекционного ФМП 115
3.5 Анализ взаимного влияния секций ФМП и
испытуемого ПМ 120
3.6 Выводы 126
4 Разработка и исследование быстродействующего устройства контроля постоянных магнитов 127
4.1 Быстродействующее устройство контроля ПМ для систем управления технологическим процессом их изготовления 127
4.2 Устройство для классификации ПМ по форме кривой размагничивания 128
4.3 Устройство для измерения напряженности магнитного поля 133
4.3.1 Разработка структурной схемы устройства для измерения напряженности магнитного поля 133
4.3.2 Реализация устройства для измерения напряженности 136
4.3.3 Реализация цифрового генератора линейно нарастающего напряжения и усилителя тока 139
4.4 Вычислители напряженности для устройства активного контроля ПМ 142
4.4.1 Цифровые вычислители напряженности 142
4.4.2 Аналоговые вычислители напряженности 145
4.4.3 Вычислители напряженности на Р/С-контроллере 148
4.5 Устройство контроля магнитных свойств постоянных магнитов 158
4.6 Методика метрологической аттестации устройств контроля постоянных магнитов 161
4.7 Результаты внедрения 174
4.8 Выводы : 174
Заключение 176
Литература
- Особенности постоянного магнита как объекта испытаний
- Теоретические основы и принцип алгоритма адаптивно-ступенчатого управления размагничивающим полем
- Методика измерения напряженности магнитного поля на поверхности постоянных магнитов
- Устройство для классификации ПМ по форме кривой размагничивания
Введение к работе
Актуальность темы. Постоянные магниты широко применяются в электромашиностроении, автоматике, электро-, радио- и электронной технике. Изготовление ПМ - сложный технологический процесс, каждый этап которого существенно влияет на магнитные свойства готовых изделий. Зависимость магнитных свойств ПМ от большого количества трудно контролируемых факторов затрудняет в условиях массового производства обеспечение идентичности и высокого уровня их магнитных свойств. В этой связи существует важная народнохозяйственная проблема - повышение качества ПМ.
Эффективным путем повышения качества ПМ является создание систем управления процессом их изготовления, обеспечивающих выработку управляющих воздействий на технологическое оборудование, по результатам контроля магнитных свойств ПМ. Такой контроль рационально производить, моделируя изменение магнитных параметров заготовок ПМ под действием той или иной технологической операции до ее проведения. Это позволит выбирать оптимальные режимы работы технологического оборудования, обеспечивающие получение заданных магнитных свойств ПМ. Наиболее информативными для моделирования воздействия предстоящей технологической операции на свойства ПМ являются статические характеристики материалов, из которых изготовлены заготовки ПМ. Погрешность измерения этих характеристик в значительной степени влияет на эффективность системы управления технологическим процессом изготовления ПМ, а значит и на выход годных изделий. В настоящее время разработаны методики и устройства, позволяющие измерять статические характеристики материалов ПМ в полуразомкнутых магнитных системах, но не обеспечивающие требуемую для цеховых условий производительность. Низкая производительность существующих устройств обусловлена неоптимальностью процесса перемагничива-ния испытуемого ПМ и несовершенством устройств для измерения напряженности магнитного поля на поверхности ПМ. В этой связи актуальным яв ляется решение задачи создания устройств контроля магнитных свойств ПМ в полуразомкнутых магнитных системах, позволяющих с требуемой точностью и производительностью измерять статические характеристики материалов ПМ и их заготовок.
Работа выполнена в соответствии: с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники РФ «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника» (утверждено указом президента РФ от 30.03.02 г.); с научным направлением Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено решением ученого совета университета от 25.01.03 г.); с договором о сотрудничестве в области образования, науки и техники между ЮРГТУ (НПИ) и Техническим университетом Ильменау (ФРГ) от 14.12.2001 г.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение качества ПМ путем создания быстродействующих устройств контроля магнитных свойств ПМ, позволяющих на различных этапах технологического процесса получать измерительную информацию о магнитных свойствах заготовок, необходимую для эффективного управления технологическим процессом изготовления ПМ.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
анализ технологических процессов изготовления ПМ, систем управления ими и определение основных требований к устройству контроля ПМ как одному из основных элементов системы управления технологическим процессом;
разработка теоретических основ методики испытаний, позволяющей с высокой производительностью определять статические характеристики материалов ПМ и их заготовок в полуразомкнутых магнитных системах;
создание алгоритма управления процессом перемагничивания, обеспечивающего минимальное время контроля ПМ;
разработка методики измерения напряженности магнитного поля на поверхности ПМ, позволяющей получать характеристики материалов ПМ в полуразомкнутых магнитных системах;
построение высокопроизводительных устройств контроля ПМ для систем управления технологическим процессом их изготовления.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается: применением методов теории автоматического управления, математической статистики, теории вероятностей, теории измерений, имитационным моделированием на ЭВМ; а так же согласованием теоретических положений с результатами экспериментальных исследований и критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области теории систем управления и магнитоизмерительной техники.
На защиту выносятся:
методика испытания ПМ в полуразомкнутой магнитной системе, позволяющая с высокой производительностью определять статические характеристики материалов заготовок ПМ;
алгоритм управления процессом перемагничивания ПМ, позволяющий существенно уменьшить время измерения статической характеристики ПМ;
математическая модель распределения напряженности магнитного поля у поверхности ПМ в полуразомкнутой магнитной системе;
методика измерения напряженности магнитного поля на поверхности ПМ в полуразомкнутой магнитной системе, позволяющая определить характеристику материала ПМ;
конструкция, принцип действия и математическая модель первичного измерительный преобразователя напряженности магнитного поля;
структура, принцип действия и алгоритм функционирования быстродействующего устройства контроля магнитных свойств постоянных магнитов для систем управления процессом их изготовления.
Научная новизна.
Предложена методика испытания ПМ в полуразомкнутых магнитных системах, особенностью которой является управление процессом перемагни-чивания с учетом формы кривой размагничивания изделия, что обеспечивает измерение статических характеристик материалов заготовок ПМ с высокой производительностью.
На основании разработанной и исследованной математической модели распределения напряженности магнитного поля у поверхности ПМ, предложена оригинальная конструкция первичного измерительного преобразователя напряженности магнитного поля.
Предложена методика измерения напряженности магнитного поля, основанная на вычислении его значения на поверхности ПМ по результатам измерений напряженности в трех точках на определенных расстояниях от ПМ, позволяющая получать характеристики материалов ПМ и их заготовок.
Построена и исследована математическая модель оригинального трехсекционного ферромодуляционного преобразователя, позволяющая определить его основные метрологические характеристики.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработан " оригинальный трехсекционный ферромодуляционный преобразователь. На его основе создано устройство для измерения напряженности магнитного поля на поверхности ПМ с погрешностью не хуже ±4 %. Разработано и изга-товлено устройство контроля ПМ. В устройстве реализован алгоритм адаптивно-ступенчатого управления размагничивающим полем и методика измерения напряженности магнитного поля на поверхности ПМ. Устройство обеспечивает измерение кривой размагничивания ПМ за время, не превышающее 10 с при погрешности измерения не хуже ±5 %. На указанные выше устройства получены акты внедрения на: ОАО ПО «Магнит», г. Новочеркасск и ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были доложены, обсуждены и одобрены: на I, II и IV Международной научно практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2000-2003 гг.); на IV Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2003 г.); на IV Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2004 г.); на IV Международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (Новочеркасск, 2004 г.); на VI Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2004 г.); на научных совместных семинарах кафедр «Информационно-измерительная и медицинская техника», «Автоматика и телемеханика», «Электрические, электронные и микропроцессорные аппараты» ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 17 печатных работах, из которых 2 патенты РФ и одно свидетельство о регистрации программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований и приложений.
Работа изложена на 216 страницах, в том числе: 184 страницы текста с 92 рисунками, 116 названий списка литературы, 3 приложений.
Особенности постоянного магнита как объекта испытаний
Однако при погрешности устройства разбраковки более 5 % чрезмерное увеличение количества групп приводит к уменьшению выхода годных ПМ G. Таким образом, видно, что для каждого конкретного технологического процесса количество групп необходимо определять в зависимости от погрешности устройства разбраковки.
Реализация описанной подсистемы управления качеством ПМ позволит существенно повысить однородность магнитных свойств изделий с ПМ.
Особенностью данной подсистемы является включение в контур регулирования устройств, моделирующих воздействие на магнитные свойства ПМ предстоящих технологических операций. Это позволяет прогнозировать качество ПМ до проведения той или иной технологической операции с одновременным выбором оптимальных режимов. Причем моделирование влияния предстоящей технологической операции на свойства ПМ лучше всего производить, зная статическую характеристику МТМ, из которого изготовлен ПМ.
Анализируя вышесказанное, определим основные требования со стороны подсистемы управления качеством к устройству контроля ПМ: необходима разработка принципов построения и создания устройств, с требуемой погрешностью (не хуже ±5 %) и производительностью (не менее 200(Н3000 шт/смену) определяющих на разных этапах производства наиболее информативные характеристики, позволяющие судить о качестве изделий - статические характеристики В(Н) материала ПМ.
Таким образом, одним из путей повышения качества ПМ является широкое использование СУ технологическим процессом. Для выявления причин, препятствующих этому, рассмотрим ПМ как объект контроля и проведем анализ существующих методов и аппаратуры для контроля изделий из МТМ.
Испытание ПМ по магнитным параметрам - трудоемкая операция, так как до сих пор часто производится вручную. Поэтому она малопроизводительна, не обеспечивает требуемой точности и объективности принимаемых заключений о значениях магнитных параметрах. Кроме того, она не позволяет в полной мере получать информацию для принятия решений по управлению технологическим процессом, а также не гарантирует заданные эксплуатационные характеристики выпускаемых изделий.
С целью предотвращения попадания бракованных заготовок ПМ на механическую обработку их после операций формирования магнитной и кристаллической текстуры подвергают контролю по магнитным параметрам, причем, как правило, производят сплошной контроль. Однако до механической обработки заготовки ПМ обычно имеют большие шероховатости, припуски (для литых магнитов) и форму, отличающуюся от формы готового ПМ. О его магнитных свойствах обычно судят по магнитному потоку в разомкнутой магнитной цепи, так как этот параметр наиболее просто контролируется у заготовок ПМ. Однако такой контроль неинформативен, что вызывает необходимость производить испытания ПМ после окончательной механической обработки. В этом случае контролируют рабочие магнитные параметры изделия с ПМ, причем это делают в имитирующих или контрольных магнитных системах. Ввиду сложности автоматизации такого контроля он, как правило, выборочный. Для анализа правильности технологического процесса производится также выборочный технологический контроль ПМ и их заготовок по какому-либо чувствительному к изменениям режимов работы технологического оборудования магнитному параметру, например, коэрцитивной силе. Такие испытания обычно производятся при отладке технологического процесса.
Данное положение вещей нашло отражение в ГОСТах, согласно которым ПМ, в зависимости от степени его обработанности и области применения, могут контролироваться следующие магнитные параметры [13,14] (рис.1.18): Нем - условная коэрцитивная сила по намагниченности; В - магнитная индукция в зазоре имитирующей магнитной системы; Фз - магнитный поток в зазоре имитирующей магнитной системы; Фзц - остаточный магнитный поток в замкнутой магнитной цепи; Фрц - остаточный магнитный поток в разомкнутой магнитной цепи; Фс/ - магнитный поток в контрольной цепи имитирующей магнитной системы; Br - условная остаточная индукция; Фр - магнитный поток в контрольной магнитной системе после частичного размагничивания; т — магнитный момент; Вп — магнитная индукция у полюса в разомкнутой магнитной цепи.
Теоретические основы и принцип алгоритма адаптивно-ступенчатого управления размагничивающим полем
Предлагаемый адаптивно-ступенчатый алгоритм [80], является развитием предложенного в [77] подхода. Он состоит из следующих этапов. 1. Задается значение количества точек п на КР. 2. Образец ПМ помещается в МС и производится магнитная подготовка, в результате которой определяются значения ожидаемой коэрцитивной силы Нс0 и остаточной индукции Вг по следующей методике, в основе которой лежит принцип половинного деления. Суть методики заключается в том, что у образца измеряется значение остаточной индукции Вг, затем он пере-магничивается ступенькой поля амплитудой A/fj, равной одной пятой от напряженности насыщения Нт. Согласно [23], для большинства ферромагнитных материалов Нт можно определить по формуле Hm mHcM+sAHcmt где Д#ст - интервал изменения Н, в котором наблюдается наибольшее значение магнитной восприимчивости %; Нсм — коэрцитивная сила по намагниченности; т s — коэффициенты (для литых МТМ т = s = 3, для ферритов т = 1,5 -г- 2, 5=1). Для большинства МТМ может быть выбрано значение Нт « 5НС (Нс - коэрцитивная сила по индукции).
Этой ступенькой образец перемагничивается из магнитного состояния, соответствующего точке Вг, в направлении коэрцитивной силы Нс. Затем производится сравнение измеренного приращения индукции АВ\ с уже известным значением Вг. В зависимости от того, в какую точку на предельной петле гистерезиса попадет образец, возможны три результата сравнения АВ\ и В/. АВі Вг; АВі=Вги ДЯ, Вг.
В первом случае необходимо увеличить значение Нт и начать магнитную подготовку сначала. Во втором случае значение коэрцитивной силы равно АН\. В третьем случае образец опять переводится в состояние, соот 73 ветствующее точке Вг, а затем перемагничивается ступенькой поля ДЯг, равной половине АН\. Если образец не доходит до точки Нс, то амплитуда внеш АН2 него поля увеличивается на значение, равное , если и в этом случае точ ка Нс не достигнута, то происходит очередное увеличение амплитуды пере Л#2 магничивающего поля на величину . Таким образом генерируется к сту 4 пеней, в результате чего либо образец попадает в точку Нс, либо ее проходит. В последнем случае образец опять заводится в магнитное состояние, соответствующее точке Вг, и на него воздействуют ступенькой размагничивающего поля, равной амплитуде (к-\) шага, уменьшенного на половину величины к-го приращения размагничивающего поля. Таким образом происходит подбор амплитуды размагничивающего поля, при котором магнитное состояние образца окажется в точке Нс с заранее заданной погрешностью.
Проиллюстрируем предложенную методику для образца МТМ (Вг=1,4 Тл; Нс =45,4 кА/м). В начальный момент времени испытуемый образец находится в состоянии с ненулевой намагниченностью (точка 1 на рис.2.13). Он помещается в МС.
На нейтральное сечение образца нанесена измерительная обмотка, выход которой подсоединен к управляемому интегратору. Испытуемый образец перемагничивается первым импульсом (равным -230 кА/м), заводящим его в точку насыщения с координатами (-Нт;-Вт). В момент достижения этой точки начинает работать интегратор в режиме деления на два входного сигнала. Вторым импульсом образец перемагничивается в состояние с координатами (+Нт;+Вт). В конце импульса на выходе интегратора формируется сигнал, пропорциональный значению индукции насыщения Вт= 1,8 Тл. В этой точке выключается режим деления на два. Затем внешнее поле отключается, и образец переходит в точку 2 на петле гистерезиса, а на выходе интегратора появляется сигнал, пропорциональный значению Вг=\,4 Тл, которое запоминается, а интегратор обнуляется. Следующим шагом образец перемагничивается ступенькой импульса АН\= —— = 46 кА/м. В конце этого импульса магнитное состояние образца соответствует точке на петле гистерезиса ниже коэрцитивной силы (точка 3 на рис.2.13). В этот момент измеряется значение приращения индукции АВ\= 1,7 Тл и сравнивается с уже известным значением Вг. Результатом сравнения является соотношение АВ\ Вг, поэтому далее образец заводится в насыщение с координатами (-Нт ,-Вт), а затем в точку -Вг (точка 4).
Величина следующей ступеньки размагничивающего поля равна половине Д#ь то есть 23 кА/м (точка 5). В этот момент измеряется значение приращения индукции АВ2 =0,1 Тл и сравнивается с уже известным значением Вг. Результат сравнения - АВ2 Вг. Поэтому значение приращения размагни 75 чивающего поля Д//3 = 0,5 AHj = 11,5 кА/м, образец попадает в точку 6 на предельной петле гистерезиса, и после чего также производится сравнение измеренного значения АВ 3 =(A#3+A2) = »2 Тл и Вг. Здесь АВ 3 ВГ, поэтому значение следующего приращения размагничивающего поля Д#4 = 0,5 -Д#з= 5,75 кА/м, образец попадает в точку 7 на предельной петле гистерезиса, и здесь также производится сравнение измеренного значения индукции Д2?4 = (АЯ4 + Д#з)=0,3 Тл и Вг. Результат сравнения - АВ 4 Вг. Следовательно, значение следующего приращения амплитуды размагничивающего поля Д#5 = 0,5-A#4 = 2,8 кА/м, образец попадает в точку 8 на предельной петле гистерезиса и так далее, пока образец не попадает в точку 11 на предельной петле гистерезиса, в которой результат сравнения ASg Вп поэтому следующими шагами образец заводится в насыщение с координатами (+Нт;+Вт), а затем в точку Вг (точка 12). Значение амплитуды следующего импульса по ля определяется по формуле Д#9 = ( 7 \ \ Кі=2 J = -45,5 кА/м, образец попадает в точку 13 на предельной петле гистерезиса. Результатом этого шага является измерение АВ9 =1,35 Тл. Результат сравнения - АВ9 » Вг. Далее образец заводится в насыщение. Таким образом, осуществлена магнитная подготовка и определены Вг и Нсо.
Методика измерения напряженности магнитного поля на поверхности постоянных магнитов
Тогда выражение для расчета допустимой плотности тока у принимает вид [51]: ]гр0{\ + сії)Лн=срГГ9 (3.13) где ро - удельное сопротивление материала обмотки возбуждения; а — температурный коэффициент сопротивления материала обмотки возбуждения; Т — температура обмотки возбуждения; с - удельная теплоемкость материала обмотки возбуждения; у — плотность материала обмотки возбуждения.
Допустимая температура Г нагрева обмотки возбуждения WB выбирается из условий: - нагрев провода не должен привести к повреждению изоляции; - повышение температуры провода должно оказывать минимальное влияние на магнитные свойства сердечника. В качестве обмотки WB будем использовать медный провод в эмалевой изоляции. Его допустимая температура нагрева составляет 95 С. В [50] показано, что для того чтобы температурная погрешность параметров сердечника не превышала 0,1 %, относительное изменение температуры должно составлять 24 С. Таким образом, зная максимальную температуру обмотки возбуждения Ттах 44 С, можно определить максимально возможную плотность тока у в обмотке, решая уравнение (3.13). Если процесс нагрева начинается в момент времени t=0 при температуре проводника 7(0), и через время Ги достигается температура Ттах, то интегрируя (3.12) получаем:
Расчет допустимого тока 1В обмотки возбуждения WB, изготовленной из медного провода диаметром d=0,l мм, для времени перемагничиванияґи=100мкс показал, что 1В может достигать значения 52 А. Для сердечника с 11111 длиной / максимальное количество витков обмотки возбуждения можно определить из выражения: w.L d Для провода указанного диаметра WB составляет 100 витков. Тогда для создания компенсирующего поля напряженностью 7/,=150 кА/м необходим ток /в=10 А. Как видно, указанная величина тока является допустимой. Расчет плотности тока у по (3.14), для довольно продолжительного периода времени показал, что максимальная значение постоянного тока іп, для провода такого диаметра составляет около 0,15 А.
Учитывая, что форма импульса тока /в является треугольной, то можно сказать, что его площадь примерно равна половине площади прямоугольного импульса, такой же амплитуды. Тогда из (3.12) можно определить, что скважность Q импульсов тока возбуждения /в должна равняться 10000, и, следовательно, время паузы должно tn составлять не менее 0,5 с.
Перечисленные характеристики и параметры зависят от ряда факторов: температуры, механических воздействий и др. Специфическим является влияние на трехсекционный ФМП близко расположенных ферромагнитных масс, а также взаимное влияние секций преобразователя.
Анализ взаимного влияния секций ФМП и испытуемого ПМ
В процессе контроля испытуемого образца на него воздействует внешнее магнитное поле #вн, создаваемое МС. Трехсекционный ФМП расположен на расстоянии 1 мм от поверхности ПМ в районе его центрального сечения. Компенсирующее магнитное поле Як создается обмотками WBi равномерно намотанными на сердечники с 11111 . Для исключения трансформаторного эффекта между обмотками возбуждения WBi и измерительной обмоткой WmM в конструкции трехсекционного ФМП предусмотрена компенсационная WK обмотка (рис.3.12), намотанная встречно обмоткам возбуждения WBl на немагнитный сердечник.
Как показал эксперимент, проведенный в [50], наличие измерительного преобразователя напряженности магнитного поля создает незначительную неравномерность напряженности магнитного поля в испытуемом образце, наиболее заметную в районе окончания сердечника ФМП. Качественная оценка влияния близко расположенных ферромагнитных масс на характеристики ФМП выполнена в [50]. Присутствие близко расположенного к преобразователю испытуемого образца уменьшает величину размагничивающего поля 7/р, вследствие чего боковые участки ППГ становятся круче.
Автором проведен эксперимент по определению влияния близкорасположенных ферромагнитных масс на порог чувствительности ФМП [100]. Кроме влияния ПМ на характеристики ФМП, учитывалось и взаимное влияние секций ФМП. На рис.3.16 показано изменение положения основной кривой намагничивания (ОКН) как результат влияния близкорасположенных ферромагнитных масс на сердечник с ППГ трехсекционного ФМП. Расчеты проводились с помощью пакета Femm 4.0. На этом рисунке цифрами обозначены: 1 - ОКН материала сердечника с ППГ (пермаллой 79НМ); 2 - характеристика разомкнутого сердечника, указанных в п.3.4 размеров, из этого же материала (как видно из рис.3.16 значение размагничивающего поля сердечника соответствует результатам, полученным эмпирическим методом в п.3.4); 3 - характеристика разомкнутого сердечника, при наличии еще одной аналогичной секции на расстоянии Ai=2 мм; 4 — характеристика разомкнутого сердечника, при наличии двух аналогичных секций на расстоянии Ai=2 мм друг от друга; 5 — характеристика разомкнутого сердечника, при наличии ПМ на расстоянии Аг=1 мм до первой секции; 6 - характеристика разомкнутого сердечника, при наличии двух аналогичных секций на расстоянии А і=2 мм друг от друга и ПМ на расстоянии А2=1 мм до первой секции.
Устройство для классификации ПМ по форме кривой размагничивания
На рис.4.8 показана принципиальная электрическая схема ЦТ ЛИН и УТ, которая работает следующим образом. Задающий генератор на трех элементах 2И-НЕ (частота генерации около 1 МГц и определяется емкостью конденсатора С32) подает сигнал на вход 5 первого реверсивного счетчика DD4, модуль счета которого М=16; с выходов 3, 2, 6 и 7 двоичный сигнал подается на входы 13, 14, 15, 16 ЦАП DD6 , далее при переполнении счетчика DD4 сигнал переполнения с выхода 12 подается на вход 5 счетчика Z) 5, сигналы с которого так же подаются на входы 17, 18, 19 и 20 ЦАП DD6, при этом ЦАП DD6 делит входной сигнал на 256, т.е. /вых=/ш2/256=3906 Гц.
При этом сигнал усиливается и фильтруется элементом DA3. На выходе DA3 сигнал представляет собой линейно нарастающее напряжение частотой 3906 Гц. Элемент DA4 предназначен для создания некоторого начального перемагничивания ФМП.
На элементах DA5 и VT3 собран источник тока. Сила тока определяется входным напряжением и сопротивлением резистора R60.C выхода источника тока 53 сигнал подается на обмотку возбуждения WB.
Сигнал с выхода ФМП усиливается DAX и подается на дифференциальный усилитель DA2, с выхода которого сигнал подается на систему управления регистрами DD7, DD%, DD9. С выходов регистров сигналы в двоичном коде пропорциональны значениям напряженности #изм.
Система управления схемой состоит и DD\ и DD3. Элемент DD\ формирует одиночные импульсы, которые переводят триггер DD3 в единичное состояние, тем самым, разрешая работу генератору и закрывая транзистор VT2. При переполнении обоих счетчиков триггер DD3 переводится в нулевое состояние и генератор выключается, VT2 открывается и защищает ФМП по постоянному току.
На рис.4.11 представлена функциональная схема цифрового вычислителя напряженности магнитного поля на поверхности ПМ [105]. Устройство построено на базе модуля 440. Такой модуль является современным универсальным устройством на базе шины USB для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных IBM PC совместимых компьютерах. Данный модуль можно рассматривать в качестве устройства многоканального сбора информации. В то же время 440 представляет собой законченную систему с собственным процессором, позволяющую пользователю реализовать свои собственные специализированные алгоритмы обработки сигналов на уровне программирования установленного на модуле современного цифрового сигнального процессора (DSP) фирмыУстройство работает следующим образом. Коды ЩНтш), пропорциональные измеренным значениям напряженностей магнитного поля поступа ют на информационные входы регистров памяти RGl, RG2 и RG3 соответственно. Эти коды по шине данных (ШД) поступают модуль 440.
Сигнальный процессор модуля обрабатывает принятые коды таким образом, чтобы ее выходной код был равен выражению: М(Н0) = кг -N(HmJ+k2 -N(HmM2)+k3 -N(Hmu3), (4.1) где к\, к2 и къ — коэффициенты из выражения (3.8). Листинг программы работы сигнального процессора приведен в приложении А.
Важным вопросом, возникающим при построении такой схемы, является определение необходимой разрядности п входных сигналов ЩНтш), поступающих на регистры памяти (рис.4.7), при которой погрешность восстановления истинных значений напряженности будет допустимой. Определяющим фактором в этом случае будет погрешность дискретности, с которой происходит оцифровка измеренных значений напряженности.
Цифровой код, которому соответствует аналоговая величина, определяется из выражения [106]: М#изм ) = - -2% (4.2) где Нтах - верхний предел измерения напряженности (п.3.4 Нтах =150 кА/м). Соответственно восстанавливаемое значение напряженности магнитного поля на поверхности ПМ: max ҐЛ 1\ Яо- J? » (43) где ri = 16 - разрядность сигнального процессора модуля 440.
Автором проведен вычислительный эксперимент для различных разрядностей N(HmMl): л = 8, и = 10 и « = 12 при получении характеристики образца №3, описанной в п.3.2. Измеренные значения напряженностей Ниші оцифровывались в соответствии с (4.2), определялась величина N(H0) в соответствии с, (4.1) с помощью эмулятора работы микроконтроллера платы 144 440, и определялась величина Н0 по (4.3). Результаты расчета для образца №3 приведены в табл.4.1 (мерность данных - кА/м). На рис.4.12,а-4.12,в представлены фрагменты полученных характеристик: 1 - измеренная характеристика, 2 - рассчитанная по (4.1) для: а) 8-ми разрядного кода, б) для 10-ти разрядного кода, в) для 12-ти разрядного кода (восстановленные характеристики показаны крестиками).
Аналоговые сигналы с выходов ЦАП подаются на входы аналогового сумматора на операционном усилителе DA, причем сумматор построен таким образом, чтобы его выходное напряжение было пропорционально выражению: Analog Devices, Inc.-ADSP-2\S5M.
