БИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 575
А. Я. ШИХИН
АВТОМАТИЧЕСКИЕ
МАГНИТО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
т
МОСКВА
«Э Н Е Р Г И Я»
1977

6Ф6.5
Ш 65
УДК 621.318.1:621.317.4
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. И. Бертинов, М. А. Боярченков,
А. А. Воронов, Л. М. Закс, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов,
И. В. Прангишвили, О. В. Слежановский, Ф. Е. Темников,
М. Г. Чиликин
Шихин А. Я.
Ш 65 Автоматические магнитоизмерительные систе-
мы. М., «Энергия», 1977.
136 с. с ил. (Б-ка по автоматике. Вып. 575).
Книга посвящена проблеме автоматизации магнитоизмерительных
систем, предназначенных для определения магнитных характеристик
ферромагнитных материалов в статическом режиме перемагничивания.
Рассмотрены теоретические обоснования метода непрерывного
медленно изменяющегося внешнего поля, основы построения и реко-
мендации по проектированию автоматических магнитоизмерительных
установок и их узлов. Даются описания схем и конструкций установок,
построенных на указанном методе испытания магнитных материалов.
Приведены технические характеристики созданных узлов и автомати-
ческих магнитоизмерительных установок.
Книга рассчитана на инженеров и научных работников, занимаю-
щихся магнитными измерениями, может быть полезной студентам
старших курсов соответствующих специальностей вузов.
30501-201 _ _ . е
Ш 051(01)-77 132-76 6Ф6'5
© издательство <<Эт^ерт>>^Щ7 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ
В производстве и разработке новых ферромагнитных материа-
лов (ФММ) в настоящее время достигнуты значительные резуль-
таты. Одним из важных вопросов, дальнейшего развития производ-
ства и особенно разработок новых ФММ и магнитных систем явля-
ется создание современной высокопроизводительной и точной изме-
рительной аппаратуры.
Наиболее эффективным способом повышения производитель-
ности и разрешающей способности измерений магнитных парамет-
ров является разработка автоматической магнитоизмерительной
аппаратуры, основанной на использовании метода непрерывного
медленно изменяющегося внешнего поля, обеспечивающего пере-
магничивание образца ФММ в квазистатическом режиме.
Теоретическому обоснованию этого метода и его технической
реализации в виде реальных автоматических магнитоизмерительных
установок для определения статических магнитных параметров по-
священа настоящая работа.
IB основу предлагаемой книги были положены эксперименталь-
ные и теоретические исследования автора за 1962—1973 гг. в Проб-
лемной лаборатории постоянных магнитов МЭИ.
Автор благодарит рецензента канд. техн. наук Н. Г. Черны-
шеву и редактора канд. техн. наук Ю. Н. Евланова, замечания ко-
торых были учтены в книге, а также своих коллег А. Г. Бокова,
В. Н. Казакова, И. Е. Кравцова, О. Б. Лагутина, В. Г. Сергеева,
И. В. Сильванского, помощью которых автор постоянно пользовал-
ся. Большую работу по созданию автоматических магнитоизмери-
тельных установок и их элементов проделали сотрудники Проблем-
ной лаборатории А. Ф. Блажков, Ю. А. Попов, А. П. Николаев и
В. А. Смирнов.
Автор

Глава первая
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Непрерывный рост производства ферромагнитных материалов
и многообразие их характеристик создают определенные требования
к качеству магнитоизмерительной аппаратуры, основными из кото-
рых являются универсальность, высокая производительность про-
цесса испытаний, повышенная точность измерений, надежность в ра-
боте и простота в управлении.
Универсальность магнитоизмерительной аппаратуры опреде-
ляется в основном правильным выбором метода испытания и чув-
ствительностью измерительных преобразователей. Точность измере-
ния параметров зависит от условий испытания, подбора парамет-
ров измерительной и регистрирующей аппаратуры, габаритов испы-
туемого образца, точности градуировки измерительных каналов.
Разрешающая способность и точностные показатели устройств
импульсно-индукционного типа достаточно глубоко проанализиро-
ваны и изложены в ряде работ [1—3 и др.]. Имеются также попыт-
ки автоматизации отдельных операций при испытаниях образцов
на указанных установках с целью повышения производительности
[4, 5 и др.]. Однако практически отсутствуют работы, рассматри-
вающие способы достижения высокой производительности процесса
испытаний с одновременным улучшением или хотя бы сохранением
других показателей (точности, универсальности и т. д.).
В общем случае процесс испытания ФММ можно разбить на
три этапа:
1) подготовка образца и средств измерения;
2) перемагничивание образца, измерение и регистрация его маг-
нитных характеристик;
3) обработка результатов измерения — получение необходимых
магнитных параметров (Яс, Вг, |я, Jr и др.).
'Повышение производительности операций на каждом этапе мо-
жет быть достигнуто в такой магнитоизмерительной системе, кото-
рая самостоятельно выполняет заданную программу, выбирает и
поддерживает определенный режим перемагничивания, производит
непрерывные измерения магнитных параметров объекта, обработку
и регистрацию результатов. Создание такой автоматической систе-
мы требует глубокого знания свойств современных ферромагнитных
материалов, техники магнитных измерений и тенденций их разви-
тия, так как метрологические характеристики действующей магни-
тоизмерительной аппаратуры должны всегда удовлетворять запро-
сам науки и техники создания новых ферромагнитных материалов.
4

1-1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ^ ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Как известно из теории ферромагнетизма, магнитные свойства
вещества обусловлены спиновыми и орбитальными моментами элек-
тронов, а также магнитными моментами ядер атомов. Чтобы атом
в целом имел магнитный момент, необходимо, чтобы оставались
некомпенсированными магнитные моменты спинов, что возможно
в атомах с незаполненными оболочками (элементы переходной груп-
пы и редкоземельные элементы). Однако для существования явле-
ния ферромагнетизма кроме наличия незаполненных оболочек в ато-
ме необходимо еще, чтобы между спинами соседних атомов суще-
ствовало сильное электрическое взаимодействие — обменные силы
(квантомеханической природы). В результате в объеме вещества
возникают области (домены) самопроизвольной намагниченности,
в которых магнитные моменты атомов ориентируются в одном на-
правлении.
При наложении внешнего поля каждый атом дает слагающую
магнитного момента по направлению поля. Результирующий маг-
нитный момент единицы объема называется намагниченностью J.
Намагниченность ферромагнитной среды в общем случае зависит
от значения и направления напряженности внешнего магнитного
поля Н.
Магнитные свойства ферромагнитного вещества оцениваются
восприимчивостью %, т. е. способностью вещества под воздействием
внешнего поля создавать определенную намагниченность в единице
объема:
J = XH. (1-1)
При этом восприимчивость ферромагнетиков нелинейна и неод-
нозначна, так как зависит как от структурных неоднородностей,
дефектов кристаллической текстуры, так и от инерционности дви-
жения границ и поворота магнитных моментов элементарных обла-
стей и других факторов.
Спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов со-
здают собственное поле ферромагнетика, которое, складываясь
с внешним полем, образует результирующее магнитное поле внутри
ферромагнетика. Среднее значение этого поля, отнесенное к едини-
це сечения, называется магнитной индукцией В, которая равна:
B = fio(H+J), (1-2)
с учетом 1-1
В=[д,р,оН=р,аН. (1-3)
Таким образом, представление о магнитных свойствах ферро-
магнетика дают статистические характеристики 1(H) и В (Я).
Эти характеристики не имеют точного аналитического описания
и определяются экспериментально. Отношение В/Н называют маг-
нитной проницаемостью материала, а отношение J/H — магнитной
восприимчивостью. Магнитная проницаемость (восприимчивость)
ферромагнетика характеризует способность вещества усиливать
поле, т. е. создавать дополнительное поле (к внешнему) за счет
ориентации результирующих магнитных моментов атомов в одном
направлении. При техническом перемагничивании обычно пользуют-
5

ся зависимостью В (Я). Если Же возникает необходимость получить
характеристику /(Я), то это достигается вычитанием из -зависимо-
сти В (Я) линейной функции B=[i0H. При отсутствии внешнего по-
ля магнитное состояние ферромагнетика (его намагниченность) за-
висит от предыстории и воздействия внешних факторов (темпера-
туры, давления). В практике при получении характеристик В(Н)
за предысторию принимают или размагниченное (устойчивое или
неустойчивое) состояние ферромагнетика или состояние магнитно-
го насыщения. В первом случае зависимость В (Я) снимается при
изменении внешнего поля от «О» до Ям, соответствующего насыще-
нию (рис. 1-1, кривая 1). Эта хаг^ктеристика называется первона-
чальной кривой намагничивания ферромагнетика.
Во втором случае перемагничивание начинается после выхода
в исходное состояние, называемое техническим насыщением при со-
ответствующем внешнем поле -|-Ям или —Ям (рис. 1-2).
'При очень медленном изменении внешнего поля от —Ям до
4-Ям и обратно происходит полный цикл перемагничивания, а ха-
рактеристика В (Я) называется предельной петлей магнитного гис-
терезиса (кривая 2 на рис. 1-1). Кривыми «возврата» (кривые 3 на
рис. 1-1) называют зависимости В (Я), снятые при изменении Я от
точки на «спинке» петли до 0.
Если уменьшить предельное значение изменения внешнего поля
-)-Ям, то получаются частные петли гистерезиса (кривые /—4, на
рис. 1-2).
Кривую, совпадающую с геометрическим местом вершин част-
ных циклов гистерезиса .(кривая 5 на рис. 1-2), называют основной
кривой намагничивания. Характерными точками на предельной пет-
ле гистерезиса являются следующие:
1) точка пересечения с осью В называется остаточной индук-
цией Вг. Это индукция (намагниченность), которая остается в ма-
териале после снятия максимального внешнего поля;
2) точка пересечения с осью Я называется коэрцитивной силой
по индукции Нсв. Это значение напряженности магнитного поля,
при котором результирующее поле в материале равно нулю, т. е.
|//|=|i/|. Значение напряженности поля* при котором намагничен-
ность равна нулю, называется коэрцитивной силой по намагничен^
ности Hcj.
Рис. 1-1. Магнитные ха-
рактеристики магнито-
твердого материала.
Рис. 1-2. Предельная и непре-
дельная петли магнитного ги-
стерезиса.
6

По значению коэрцитивной силы ферромагнитные материалы
делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Это разделение мож-
но также провести с точки зрения применения ферромагнетиков
как усилителей и как источников магнитного поля.
Магнитотвердые материалы используются как источники маг-
нитного поля, напряженность которого определяется магнитным со-
стоянием изделия и условиями его работы (геометрические размеры,
вид системы и др.). Такие изделия из магнитотвердых материалов
называют постоянными магнитами. (
Магнитомягкие материалы применяются, для усиления магнит-
ного поля, создаваемого катушкой с током или постоянным маг-
нитом. Они работают обычно в условиях перемагничивания и долж-
ны обладать минимальной энергией потерь на перемагничивание,
сохраняя при этом большой коэффициент усиления и величину
индукции.
Магнитотвердые ферромагнетики, используемые как источники
постоянных магнитных полей, в процессе работы подвергаются раз-
магничивающему действию внешних полей. Чем больше коэрцитив-
ная сила ферромагнетика, тем большую напряженность размагни-
чивающих полей можно допустить. Напряженность же поля по-
стоянного магнита при этом воздействии будет тем больше, чем
больше значение остаточной индукции Вг и прямоугольность гисте-
резисного цикла В(Н). Это свойство магнитотвердых материалов
характеризуется удельной магнитной энергией W=^§HdB и ее ма-
ксимальным значением
^акс=(ВЯ)макс (1-4)
7

В производстве и разработке новых магнитотвердых материа-
лов в настоящее время достигнуты значительные результаты: про-
мышленностью уже выпускаются сплавы с максимальной энергией
до 1100 кДж/м3, а магнитные материалы на основе сплавов редкозе-
мельных металлов с кобальтом имеют НсВ до 600 кА/м и И^макс
до 200 кДж/м3 (рис. 1-3).
Специфика свойств магнитомягких и магнитотвердых материа-
лов, стремление получить наибольший эффект от их использования
вызвали необходимость иметь в каждом отдельном случае дополни-
тельные параметры и характеристики, позволяющие оценить свой-
ства материала.
Так, для магнитомягкого материала (МММ) измеряются на-
чальная Цн, максимальная |ЛМ проницаемости, энергия, затрачивае-
мая на один полный цикл перемагничивания (площадь петли гисте-
резиса Sr), записываются частные петли гистерезиса и др.
Для магнитотвердых материалов (МТМ) снимаются кривая раз-
магничивания, зависимости удельной энергии от В (или Я), кривые
«возврата» и определяются максимальная энергия \^Макс, соответ-
ствующие ей значение индукции На и напряженности поля lid,
а также средняя магнитная проницаемость на кривой возврата jxa.
Все рассмотренные характеристики и параметры ферромагнит-
ных материалов определяются при различных внешних условиях
(температура, давление), за исходные условия принимаются нор-
мальные давление и температура.
1-2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
СТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В общем случае метод исследования магнитных характеристик
ферромагнитных материалов включает:
1) условия перемагничивания образца (замкнутая, разомкну-
тая магнитная цепь);
,2) способ создания и изменения внешнего поля;
3) способы измерения напряженности внешнего поля и магнит-
ной индукции в образце;
•4) способы преобразования измеряемых величин;
5) 'способ регистрации результатов измерения;
6) способ обработки и представления выходных характеристик.
Классификация методов исследования ферромагнитных мате-
риалов обычно проводится по следующим способам: созданию внеш-
него поля, измерению индукции и напряженности поля, регистрации
результатов измерения, а магнитоизмерительные установки — по
универсальности условий испытаний, точности измерения характери-
стик. Исходя из возможности автоматизации процесса исследования
и обработки результатов измерения целесообразно классифицировать
методы испытания ФММ по способу создания поля.
По способу создания внешнего поля все известные методы
испытания и установки можно разделить на две .группы, в которых
определение статических характеристик производится:
1) при скачкообразном изменении внешнего поля;
2) при непрерывном медленном изменении внешнего поля, ско-
рость изменения которого подбирается такой, чтобы инерционное
действие вихревых токов и магнитной вязкости на процесс перемаг-
ничивания было минимальным.

К первой группе относятся установки БУ-3 и У-541. Индук-
ционный способ измерения магнитного потока непосредственно
в образце, применяемый в этих установках, является наиболее точ-
ным и используется в метрологических институтах и лабораториях.
В настоящее время разработаны различные модификации этих
установок [4, 5, 6 и др.], позволяющие снизить трудоемкость про-
цесса измерений.
Ко второй группе относятся установки, основанные на исполь-
зовании метода медленно изменяющегося поля при непрерывном
измерении основных параметров Б, /, ц и Я и автоматической их
регистрации в виде зависимостей В(Н), /(Я), W(B), |я(Я) [9—15
и др.]. Структурная схема установок, основанных на использовании
Рис. 1-4. Структурные схемы установок, реализующих метод непре-
рывного медленно изменяющегося внешнего поля.
а — режим перемагничивания с задаваемой программой; б — режим перемаг-
ничивания при f?=const.
непрерывного медленно изменяющегося внешнего поля, представле-
на на рис. 1-4,а, где сигнал задатчика формы внешнего поля u(t)
через усилитель мощности УМ подается на намагничивающую
обмотку электромагнита ЭМ (или соленоида), в рабочем объеме
которого помещены образец и измерители напряженности поля и
магнитной индукции. Сигналы этих измерителей через преобразо-
ватели Пр (усилитель или интегрирующий усилитель) подаются на
вход двухкоординатного регистрирующего прибора РП.
Получение магнитных характеристик ФММ по методу медленно
изменяющегося внешнего поля может осуществляться следующими
способами:
1) внешнее поле изменяется по линейному закону или близкому
к нему;
2) внешнее поле изменяется по закону, обеспечивающему под-
держание заданной постоянной величины скорости изменения маг-
нитной индукции дВ/d/=£=const;
3) внешнее поле изменяется по закону, обеспечивающему под-
держание заданной постоянной ошибки воспроизведения по индук-
ции статического цикла гистерезиса 6в (£)=const.
В первом случае (рис. 1-4,а) для приближения получаемого
динамического гистерезисного цикла к статическому необходимо
увеличивать время перемагничивания, что в свою очередь вызывает
необходимость увеличивать постоянную индукционного преобразо-
вателя поля или применять датчики гальваномагнитного или гене-
раторного типа.
Закон изменения внешнего поля, обеспечивающий 0в (/)=const,
позволяет значительно снизить время перемагничивания, повысить
9

чувствительность измерителей «В» и «//», улучшить условия работы
усилителя и интегратора в канале «В», достаточно просто решить
вопрос измерений Br, Jr, Нс, площади гистерезисной петли, удель-
ной магнитной энергии и др.
Структурная схема установок, построенных на использовании
£=const, изображена на рис. 1-4,6, которая отличается от схемы
рис. 1-4,а введением отрицательной обратной связи по В и типом
задающего устройства.
1-3. МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО МЕДЛЕННО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ
ВНЕШНЕГО ПОЛЯ. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ ОБРАЗЦА
ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА
Исследование статических магнитных характеристик ферромаг-
нитных материалов в условиях непрерывного медленно изменяюще-
гося внешнего магнитного поля требует анализа динамики пере-
магничивания образцов ферромагнитного материала и выявления
режимов перемагничивания при минимальной методической погреш-
ности. Рассмотрим этот вопрос применительно к предельной стати-
ческой петле гистерезиса.
Основными причинами отклонения получаемого квазистатиче-
ского цикла перемагничивания от предельного статического явля-
ются:
1) ограниченный предел изменения внешнего поля;
2) инерционное действие вихревых токов и магнитной вяз
кости;
3) влияние пульсаций внешнего поля;
4) неоднородность внешнего магнитного поля и намагничен-
ности в объеме расположения образца и измерительных преобразо-
вателей;
5) эффект последействия.
Первые три фактора зависят от выбора режима перемагничи-
вания и качества источника питания намагничивающей обмотки и
оцениваются из анализа динамики перемагничивания объекта-образ-
ца из ферромагнитного материала. Четвертый фактор представляет
комплекс взаимосвязанных причин, влияние которых на основную
методическую погрешность можно выявить только в результате ко-
личественной оценки топографии поля в объеме расположения
объекта и измерительных преобразователей и расчетом динамики
перемагничивания при совместном действии квазипостоянного поля
и переменного поля с частотой и амплитудой пульсаций.
Из пяти перечисленных составляющих основной методической
погрешности вторая и пятая вызывают расширение получаемой пет-
ли гистерезиса по сравнению с предельной статической; остальные
три, наоборот, сужают ее, т. е. вносят отрицательную составляю-
щую погрешности. Естественно, для оценки точности измерений не-
обходимо не только иметь информацию о значении составляющих
методической погрешности, но и выбрать способы, снижающие их
до минимальных значений.
'В данном параграфе анализируется перемагничивание ферро-
магнитного материала в динамическом режиме и даются рекомен-
дации по выбору пределов, формы и скорости изменения внешнего
магнитного поля. При этом основным критерием оценки качества
является сведение к минимуму погрешности воспроизведения пре-
дельной статической петли гистерезиса.
10

А. Выбор пределов изменения напряженности внешнего поля
Как известно, процесс намагничивания ферромагнитного мате-
риала представляет собой изменение намагниченности вещества под
воздействием внешнего поля Я. Магнитная восприимчивость % не-
линейно зависит от Я и может изменяться- от нуля до нескольких
сотен тысяч. Это объясняется тем, что под воздействием внешнего
поля сначала происходит упругое смещение границ между обла-
стями (доменами) спонтанной намагниченности внутри области.
Затем с увеличением внешнего поля происходит необратимый про-
цесс смещения границ между областями ^самопроизвольной намаг-
ниченности. Этот процесс требует сравнительно небольшого измене-
ния внешнего поля.
Насыщение ферромагнетика наступает, когда направление ре-
зультирующего .вектора намагниченности областей, а затем и спи-
новых моментов отдельных электронов приблизится к направлению
внешнего поля. Это значение напряженности внешнего поля можно
считать предельным. Последний участок — ориентация спиновых
моментов отдельных электронов внутри областей — незначительно
повышает намагниченность вещества и поэтому на гистерезисный
эффект мало влияет.
Намагниченность насыщения практически всех ферромагнитных
материалов определяется их химическим составом и степенью не-
магнитных включений. Максимальное значение напряженности
внешнего поля, при котором наступает магнитное насыщение, опре-
деляется преже всего свойствами кристаллической структуры маг-
нитного материала, которые характери-
зуются магнитной восприимчивостью
(проницаемостью) и коэрцитивной си-
лой. Эти параметры при практически не-
изменной намагниченности насыщения
могут отличаться на несколько поряд-
ков вследствие изменения структурного
состояния кристаллической решетки.
Из работ последних лет [17—19] стало
известно, что эти свойства обусловлены
прежде всего дефектами кристалличе-
ской решетки и связанной с ней магнит-
ной (доменной) структурой материала.
Качественно и количественно свой-
ства ферромагнитных материалов Рис. 1-5. К определению
можно оценить по значению энергии об- максимального значения
менного, магнитно-кристаллического, внешнего поля,
магнитоупорного и магнитостатического
взаимодействий электронов, которые в различной степени зависят от
реальной кристаллической структуры каждого ферромагнетика и де-
фектов его кристаллической решетки. Наибольшее влияние на свойства
магнитного материала оказывают дислокации (дефекты) кристалли-
ческой решетки, вызванные наличием дополнительной кристалличе-
ской полуплоскости и смещением атомов в определенном направле-
нии. Дислокация нарушает распределение атомов, характерное для
идеальной кристаллической решетки, что в свою очередь может
вызвать существенное искажение однородной спонтанной намагни-
ченности и оказать влияние на процессы смещения доменных границ
и процессы вращения векторов спонтанной намагниченности.
11

Плотность дислокаций является одной из важнейших характе-
ристик материала. При увеличении плотности дислокаций'возрас-
тает магнитоупругое взаимодействие междоменных границ с дисло-
кациями, в результате чего коэрцитивная сила монокристалла уве-
личивается. Магнитотвердые материалы характеризуются большой
плотностью дислокаций. Дислокация существенно влияет также на
условия междоменного равновесия и размеры доменов. Кроме коэр-
цитивной силы по намагниченности на предельное внешнее поле Ям
не меньшее влияние отказывает восприимчивость %.
Для реального материала оценить теоретически Hcj и % в силу
сложной природы междоменных связей практически невозможно.
Однако, используя экспериментальные данные (табл. 1-1) и харак-
теристики В (Я) или /(Я), для большинства ферромагнитных мате-
риалов Ям можно определить по формуле
#ic>m#c/+яЛ#с т, (1 -5)
где ЛЯст — интервал изменения Я, в котором наблюдается наиболь-
шее значение восприимчивости % (рис. 1-5); m, п — коэффициенты.
Таблица 1-1
Тип материала
Ни,НсВ
НсВ, кА/м
ъвг, %
ЮНДК24
6
54,1
1,142
То же
4
54,1
1,142
—
—
ЮНДК25БА
2,2
53,6
1,120
1,2
1,8
4,80
72,8
1,270
То же
2,5
72,1
1,265
1,0
0,5
ЮНДК35Т5
1,5
71,8
1,180
1,4
7,1
5
126,5
0,797
То же
3,05
126,1
0,793
0,3
0^5
Феррит 1БИ
5,1
131,1
0,258
—
То же
4,25
130,6
0,257
0,5
0,2
Феррит ЗБА
3,7
123,1
0,245
5,8
4,8
4,4
151,2
0,464
—
—
То же
3,25
150,7
0,464
^0,3
—
2,35
146,8
0,454
2,9
2,2
Примечание. Для обычных сталей (Э, Э41 и до.) m может достигать боль-
ших значений и в сильной степени зависит от магнитной восприимчивости материала
Поэтому #м при определении предельных статических характеристик этих сталей
обычно задают условно.
Можно рекомендовать следующие значения коэффициентов:
Материал m п
Ферриты 1,5—2 1
Магнитотвердые, литые 3 3
Пермаллои 4 4
Б. Перемагничивание ферромагнитных материалов
в условиях медленно изменяющегося внешнего поля
Как известно, процесс динамического намагничивания сердеч-
ника в общем случае описывается уравнением динамического со-
стояния [20, 21]
F(B, В, В Я, Я, Я, ...) = 0, (1-6)
12

из которого при В=В= ... =Н=Н= ... =0 можно получить урав-
нение статической характеристики F(B, #)=0.
iB квазистатическом режиме перемагничивания при заданном
H(t) достаточно учесть скорость изменения магнитной индукции.
Тогда получим уравнение F{By £, #)=0, которое более полно опи-
сывает-процесс намагничивания и может быть представлено в виде
B = R(B)AH{t), (1-7)
где АН (t)=HB(t)—Нет (В, t)—напряженность действующего поля;
#в — напряженность внешнего поля; Яст — напряженность поля
реакции ферромагнетика; R(B)—динамическое сопротивление.
Полученное выражение аналогично уравнению количества дви-
жения в механике и в интегральной форме может быть записа-
но как
±в.
где J АН (t)dt = Q(t)—импульс напряженности действующего поля
0
по аналогии с импульсом силы в теореме о количестве движения.
В частном случае при B=qFBs получаем импульс напряженности
поля, необходимый для полного перемагничивания образца.
Напряженность внешнего поля Нв в сердечнике может быть
выражена через ток в намагничивающей катушке:
H*it)=ki(t), (1-9)
где k=w/lcTy когда образец выполнен в виде замкнутого магнито-
провода (магнитомягкий материал); k=f(B, /0, w), когда поле со-
здается в рабочем объеме электромагнита.
В приведенных выражениях: i, w — намагничивающий ток и
число витков катушки; /ст — средняя длина магнитопровода; /о —
длина воздушного зазора.
Из выражения (1-9) следует, что напряженность поля будет со-
ответствовать изменению тока i(t). Вместе с этим из выражения
(1-8) видно, что при перемагничивании сердечника процесс пере-
магничивания (изменение индукции) определяется интегралом от
напряженности действующего поля.
Указанное может быть иллюстрировано на примере рассмотре-
ния картины перемагничивания ферромагнитного сердечника, пре-
дельная статическая петля гистерезиса (ПСПГ) которого для упро-
щения принята прямоугольной, а зависимость Нв (t) — в форме
прямоугольных полуволн для двух разных длительностей интервала
(частоты) и максимальных значений тока (рис. 1-6).
Состояние намагниченности сердечника для каждого момента
времени на плоскости ВН обозначено цифрами в соответствии с по-
добными обозначениями на кривой HB(t). При этом предполагает-
ся, что сердечник был предварительно намагничен до —Bs=—Вг.
Допустим, что перемагничивание начинается с дочки 0. В мо-
мент времени /=0 напряженность поля мгновенно* возрастает до
Ни индукция в этот момент не изменится.
В интервале времени 0—ti напряженность поля остается неиз-
менной Нв—Ни а индукция будет изменяться по мере увеличения

4" *' +fl,
гг
0 1
!tif
.|ГТ
Л ■
0 '
«2
и
1
j &
2 2"
!•
1
2'
Рис. 1-6. Перемагничивание образ-
ца в квазистатическом режиме при
прямоугольной форме кривой внеш-
него поли.
интеграла от действующего значе-
ния напряженности поля ДЯ(/) =
=HB(t)-HCT{t).
При недостаточности импуль-
са действующего поля индукция
не успевает возрасти до 2' и,
пройдя через точку 1\ достигает
значения, например, в точке 2.
Затем в момент t=t\ напряжен-
ность внешнего поля становится
отрицательной. Индукция В умень-
шается до значения в точке 5. Та-
ким образом получаем неполный
цикл перемагничивания.
Очевидно, для полного цикла
перемагничивания, т. е. изменения
индукции в пределах —Bs-*—\-BSl
необходимо увеличить абсолютное
значение импульса действующего
поля за счет увеличения интер-
вала времени (0—/—2'—3' на рис. 1-6) или увеличения максималь-
ного значения Я, например, до Я2. Время перемагничивания, напри-
мер, пластины при заданном АН подсчитывается по формуле [21]
(1-Ю)
где о — электропроводимость материала; 2а — толщина пластины.
Если кривая Яв (t) имеет синусоидальную • или любую другую
периодическую форму, то процесс намагничивания останется тем
же, изменится лишь картина изменения индукции.
При исследовании статических и динамических характеристик
образцов из ФММ в переменных полях магнитное состояние мате-
риала определяется по напряженности намагничивающего поля,
измеряемой непосредственно на поверхности' образца, и среднему
значению магнитной индукции, т. е. отношению полного магнитного
потока образца к площади его поперечного сечения. Действительное
распределение потока отличается от равномерного вследствие реак-
ции ферромагнетика на проникновение магнитного поля внутрь
образца.
Анализ процессов изменения намагниченности в объеме реаль-
ных ферромагнитных тел чрезвычайно осложняется нелинейной за-
висимостью В(Н). В общем случае расчет становится очень слож-
ным и часто практически неосуществим.
Аналитическое выражение для реальной статической петли ги-
стерезиса отличается .либо большой неточностью, либо громозд-
костью. Использование кусочно-линейной аппроксимации позволяет
с достаточной степенью точности описать ОПГ. Аппроксимирующая
ломаная, представляющая зависимость индукции от напряженности
14

поли, изображена на рис. 1-7 и выражается формулой
т
Я = 2 Ь//(Я/Л,), (1-11)
i=\
где 2Ьг — ступень аппроксимированной кривой по оси ординат; hi —
ступень аппроксимированной петли по оси абсцисс; т — число сту-
пеней аппроксимированной петли.
Функция f(H/hi) имеет вид:
(-\ при 1;
f(H/ht) = { 0 при Я/А|=1; (1-12)
[ 1 при Н/Ы>\.
Уменьшение шага приближает эту ломаную к реальной СПГ.
Таким образом, ферромагнитное тело с «круглой» петлей гистерези-
са представлено рядом «элементарных магнитиков», имеющих пря-
моугольную петлю гистерезиса, но с различными Вг и Яс.
Рис. 1-7. Кусочно-линейная аппроксимация реальной
петли гистерезиса и картина проникновения поля
внутрь пластины.
Достаточно подробный анализ процесса перемагничивания ма-
териала с прямоугольной гистерезисной петлей рассмотрен в рабо-
тах [20, 21]. Рассмотрим процесс перемагничивания пластины.
Пусть в момент t=0 напряженность внешнего поля внезапно воз-
росла до значения Яв=Яс-|-ЛЯ. Значение индукции в пластине до
изменения поля было равно —Вм. На поверхности пластины индук-
ция изменится на 2ВМ, а скорость распространения этого состояния
в глубь образца V=dx/dt должна быть такой, чтобы во внутренней
области уменьшить напряженность поля до значения, меньшего Яс.
В результате этого изменения в каждом из слоев с измененной
индукцией возникает ток,' который создает добавочное поле (рав-
15

ное АЯ), препятствующее проникновению магнитного потока вглубь
пластины.
Процесс изменения намагниченности элементарного магнита
происходит за время 7V
Ti-
bia
(1-13)
где о — удельная электропроводимость; 2а — толщина пластины;
АЯ — напряженность действующего поля.
Определим время полного перемагничивания материала от —Вм
до -f-Вм по характеристике, близкой к статической (рис. 1-7). При
этом значение действующего поля АН берем таким, чтобы измене-
ние индукции произошло не более чем на 2Ь\. Очевидно, что полу-
ченная петля будет отличаться от статической не более чем на АН,
а время перемагничивания каждого участка определяется по фор-
муле (1-13).
дН
о /
1 \У i
/ X !
t
I 3 \t
0
г
б)
1)
Рис. 1-8. К построению квазистатического цикла намагничивания.
a — форма кривой зависимости H{t); б — зависимость H=*f(t) для зависимостей
H(t), приведенных из рис. 1-8,а; в — зависимость dB/dH=f(H), полученная
из статической петли гистерезиса, / — линейный закон, 2 — косинусный закон,
3 — закон изменения H(t), обеспечивающий £=const.
Если задаться условием A£i/7\=const, т. е. A#=const, и зна-
чением ступени ломаной кривой АЯ=2Ям/т, где т — число ступе-
ней во всем диапазоне изменения напряженности поля, то полное
время перемагничивания равно сумме интервалов времен 7\ по ко-
личеству скачков:
т
Т = ЪТ'~Ъ'т!т- (М4)
Таким образом, полное время перемагничивания при условии
£=const не зависит от вида СПГ, а определяется электропроводи-
мостью материала, его геометрическими размерами, конечными точ-
ками (Вм, Нм) и числом разбиений или степенью приближения ква-
зистатического цикла к статическому. При уменьшении - АЯ будет
увеличиваться время перевода материала из одного состояния
в другое.
Для построения квазистатической петли гистерезиса по стати-
ческой необходимо иметь зависимость АЯ от скорости изменения
внешнего поля. Рассмотрим три случая изменения внешнего поля.
16

1. Изменение внешнего поля выражается линейным законом
(кривая / на рис. 1-8,а):
HB(t)=kt, (1-15)
где k=AH'/Ti=dH/dt.
Так как время, необходимое для полного изменения намагни-
ченности от (i—1) до /-го значения, определяется по (1-13), для
АН' будем иметь:
АВ
а2 дВ а2
AW = k-гтг* — =k^TJ- ° —. (1 -16)
2. Изменение внешнего поля выражается косинусоидальным за-
коном (кривая 2 на рис. 1-8,а):
Нв (/) = #Mcos Ы или Н = Нмsin Ш = АН" jTi.
Аналогично получим:
дВ . . а2
АН"=-
дн Ни sin ate 2
(1-17)
3. Изменение внешнего поля выражается таким законом, при
котором выполняется условие £=const (кривая 3 на рис. 1-8,а):
дВ/dt AW" .а2 л f оч
В качестве примера были произведены расчеты квазистатиче-
ских циклов для образца размерами 10X10X40 мм3 из мате-
риала ЮНДК-24, время перемагничивания 0,5 с, 2БМ=2,5Г,
а=2-106 1/(Ом-м), 2Ям=3-105 А/м, Ясв=5-104 А/м. "Зави-
симость дВ/дН=1(Н) получена из статической петли гистерезиса.
Расчеты показали, что макси-
мальное отличие Ясв квази-
статической петли от статиче-
ской составляет: при линейном
законе — 3,9%; при косинусои-
дальном — 5,7%; при измене-
нии внешнего поля по закону
В = const — 0,2%.
Рассмотрение вопроса дина-
мики перемагничивания ФММ
позволяет сделать вывод о
том, что использование про-
стейших форм кривой намагни-
чивающего поля при записи
статической петли гистерезиса
нецелесообразно, так как по-
лучение динамической кривой
В(Н)У близкой к предельной
статической, связано с значи-
тельным увеличением длитель-
ности одного цикла перемаг-
ничивания.
При любой - форме СПГ
реальных ФММ квазистатиче-
ская петля гистерезиса, по-
лученная при конечной ско-
рости перемагничивания об-
2^4к
Рис. 1-9. К определению зависимо-
сти H(t) при квазистатическом пе-
ремагничивании в режиме В=const.
17

рйзца, практически будет мало отличаться от статической, если
в течение всего цикла перемагничивания напряженность действую-
щего поля АЯ будет ограничена и сохранять положительное, значе-
ние при изменении индукции от —Bs до ~{-В8 и отрицательное —
при уменьшении индукции до —Bs. При этом отличие квазистати-
ческой петли от предельной СП Г будет тем меньше, чем меньше
АЯ, так как скорость изменения магнитной индукции образца В,
вызывающая расширение динамической ПГ при перемагнйчивании,
прямо пропорциональна АЯ. Необходимая форма кривой HB(t) при
испытании реальных ФММ определяется статической зависимостью
В (Я) материала. На рис. 1-9 представлен график зависимости
Яв(/), обеспечивающий запись квазистатической ПГ при B=const.
1-4. УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ
МЕДЛЕННО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ ВНЕШНЕГО ПОЛЯ
Метод медленно изменяющегося поля позволяет производить
непрерывные измерения магнитных параметров и фиксировать ре-
зультаты по точкам с помощью показывающих приборов или запи-
сывать характеристики В (Я) на регистрирующих приборах.
Распространенные ранее для испытания МТМ электродинами-
ческие пермеаметры, например прибор Кепселя [6], пермеаметр
с двойным симметричным ярмом Штейблейна — Штейница [6, 7
и др.], в настоящее время в первоначальном виде из-за большой
погрешности измерений и ограничений намагничивающего поля не
применяются.
Из устройств данного класса за рубежом, а также в СССР
наибольшее распространение получили установки с двойным сим-
метричным ярмом [6, 8].
Установки фирмы AEG Ml и М4 [8] с двойным симметричным
ярмом, в которых индукция определяется при помощи измеритель-
ного генератора, а напряженность магнитного поля — вибрирующей
измерительной катушкой, расположенной под испытуемым образцом,
предназначены для исследования широкого диапазона образцов из
МТМ, различных по геометрическим размерам и свойствам.
Использование преобразователей Холла в установке У5022 [6]
вместо вибрирующей катушки и измерительного генератора (уста-
новки Ml, М4) значительно упрощает эксплуатацию установок и
повышает их надежность.
Основным недостатком установок Ml, М4, "У5022 и других,
использующих для измерения магнитной индукции измерительные
генераторы или преобразователи Холла, яв.ляется то, что измери-'
тель индукции измеряет не собственный магнитный поток образца,
а эквивалентный поток через сечение магнитопровода в местах рас-
положения измерителя индукции. Наличие в этом потоке состав-
ляющей, вызванной' несимметричностью двойного ярма, приводит
к дополнительной погрешности измерения магнитной индукции.
Устранение влияния этих составляющих магнитного потока осуще-
ствляется либо созданием уравновешивающего магнитного потока
с помощью дополнительных катушек, либо корректировкой измеряе-
мой величины соответствующими схемами коррекции [8]. Это вы-
зывает необходимость градуировки данных установок по стандарт-
ному образцу, соответствующему по геометрическим размерам испы-
туемому образцу.
18

Рассмотренные установки значительно уступают по точности
установкам, основанным на классическом импульсно-индукционном
методе, и вместе с этим не могут обеспечить быстрое получение
полной информации о статических магнитных характеристиках
образцов из МТМ с высокой точностью.
Феррометр НПИ [9] предназначен для получения петли гисте-
резиса образцов МТМ на экране осциллографа.
Схема феррометра представлена на рис. 1-10, где приняты сле-
дующие обозначения: ПЧ— преобразователь частоты; ЭМ — элек-
тромагнит; О — испытуемый сгбразец; Wb — измерительная обмотка
индукции; wH — измерительная катушка напряженности поля; ИУв,
ФР
Рис. 1-10. Схема феррометра НПИ.
ИУН — интегрирующие усилители; УВВ, УВН — управляемые вы-
прямители; В в, Вн — вольтметры средних значений; Фр — фазоре-
гулятор, служащий для управления работой ПЧ и УВ\ ЭО — элек-
тронный осциллограф.
Принцип действия феррометра состоит в том, что при включе-
нии ПЧ в обмотке электромагнита происходит изменение значения
и направления тока с инфранизкой частотой. Вследствие изменения
значения и направления тока в обмотке электромагнита изменяется
магнитное поле в зазоре, а в измерительной обмотке wB и катуш-
ке wH возникают переменные э. д. с. Эти э. д. с. интегрируются ЯУ,
усиливаются и измеряются одновременно. На экране осциллографа
воспроизводится зависимость B=f (Н) испытуемого образца. Фер-
рометр позволяет значительно ускорить процесс испытания образцов
МТМ в производственных условиях, когда нет необходимости фото-
графировать каждую петлю гистерезиса, а разбраковку магнитов
можно производить по эталонной петле, нанесенной на экран осцил-
лографа. Погрешность определения магнитных параметров в этом
случае лежит в пределах ±(7—10%). Последующее усовершенство-
ние феррометра [9] по данным авторов позволило снизить погреш-
ности измерения до +5'%.
Иной принцип построения устройства для исследования ферро-
магнитных материалов описан в [11]. Схема устройства приведена
на рис. 1-11.
Автоматическое измерение статической зависимости В(Н) про-
изводится по точкам через задаваемый селектором Сл интервал
приращения магнитной индукции. Измерение В производится съем-
2* 19

ной измерительной катушкой, надеваемой на образец, а измерение
Я — преобразователем Холла ПХ. Измерительные каналы представ-
ляют собой преобразователи напряжения в частоту Пр, связанные
через счетчики Сч с цифровыми индикаторами.
Изменение тока источника питания ИП намагничивающих кату-
шек электромагнита ЭМ производится движком задающего потен-
циометра Я, управляемым исполнительным двигателем ИД через
редуктор Р.
Сч
Пр
ПХ
Т эм Т
ИП
ид
т
ТУ
УМ
Пр
Рис. 1-11. Схема установки [11].
Ги
Г п
L v
ил
УУ
В схеме предусмотрена электромеханическая отрицательная
обратная связь (ООС) по скорости изменения индукции, воздейст-
вующая на скорость изменения тока намагничивающих катушек
электромагнита через электромеханическое тормозное устройство
ТУ, связывающее исполнительный двигатель ИД е движком задаю-
щего потенциометра Я. В установке предусмотрено ручное и авто-
матическое управление током в намагничивающих катушках элек-
тромагнита ЭМ. Большая постоянная времени электромагнита и
инерционность цепи обратной связи делают эту связь малоэффек-
тивной. Поэтому время записи сильно зависит от формы петли ги-
стерезиса материала испытуемого образца.
В усовершенствованной установке [59] этого типа введена ре-
гистрация получаемых в процессе измерения данных на цифропеча-
тающем устройстве и на двухкоординатном регистрирующем прибо-
ре. Выходная информация может также выдаваться на перфоратор
для дальнейшей обработки на цифровой ЭВМ.
Для испытания статических магнитных характеристик кольце-
вых образцов из низкокоэрцитивных ферромагнетиков разработаны
автоматические установки, которые по характеру изменения намаг-
ничивающего поля можно разделить на два класса: установки,
20

основанные на импульсном
перемагничивании, и уста-
новки, основанные на мед-
ленном и непрерывном пере-
магничивании. Импульсное
перемагничивание наиболее
успешно применено в уста-
новках, предназначенных
для испытания миниатюр-
ных сердечников из ферри-
тов и тонкой ленты [4].
Задача создания авто-
матических установок для
испытания образцов нор-
мальных размеров в усло-
виях медленно изменяюще-
гося поля в настоящее вре-
мя еще полностью не реше-
на, в частности вопросы
оптимального согласования
быстродействия, точности и
разрешающей способности
средств магнитных измере-
ний остаются открытыми.
Известны _ автоматические
установки, обеспечивающие
УМ
ои
РП
а)
l/= const
-Ч2Н и
~Ul ум \Цои
6)
РП
Un - var
УМ
ои \Аиу6
б)
Рис. 1-12. Структурные схемы уста-
новки У5032 (а); установки [14] (б),
макета установки МИС-1Н (в).
по лучшие" статических маг-
нитных характеристик об-
разцов из МММ в услови-
ях непрерЫвниггГ"" медленно
изменяющегося поля, кото-
рые построены по различ-
ным структурным схемам, приведенным на рис. 1-12,а—в. По схе-
ме рис. 1-12,а построена отечественная установка У5032. По схеме
рис. 1-12,6 построена установка, описанная в [14]. По схеме
рис. 1-12,в построен макет установки МЭИ [15, 16]. На рисунках
1-12,а—в введены обозначения: ИУ— измерительный* усилитель;
У s—суммирующий усилитель; УМ — усилитель мощности; О И —
объект испытания, состоящий из образца с намагничивающей и из-
мерительной обмотками; И — интегратор; РП — регистрирующий
прибор (двухкоординатный).
Отметим некоторые особенности приведенных схем.
И. Указанные схемы относятся «к типу стабилизирующих систем
автоматического управления (САУ), обеспечивающих с предельной
точностью постоянство ЭДС, индуктируемой в измерительной обмот-
ке индукции при медленном перемагничивании образца.
2. Алгоритм управления в указанных схемах одинаков.
3. С точки зрения получения достоверной информации
рис. 1-12,6, в являются более рациональными, чем схема рис.
в которой применен косвенный способ измерения индукции.
4. При рассмотрении вопросов согласования намагничивающего
и регистрирующего устройств оказалось, что при испытаниях мате-
риалов с ППГ режим перемагничивания, обеспечивающий B=const,
не является оптимальным, так как прецизионные регистрирующие
приборы, отличающиеся достаточно большой инерционностью, не
схемы
1-12,а,
21

обеспечивают высокой точности регистрации быстропротекающих
процессов, происходящих при непрерывном перемагничивании
образца по безгистерезисным участкам. Поэтому для обеспечения
нормального режима работы регистрирующего прибора необходимо
уменьшить скорость изменения индукции В при регистрации без-
гистерезисных участков цикла перемагничивания. Такой режим пе-
ремагничивания схемы рис. 1-12,0, и б без изменения алгоритма
управления обеспечить не могут. Схема рис. 1-12,6, отличающаяся
тем, что в ней напряжение Uo изменяется по заранее заданному за-
кону, обеспечивает перемагничивание образца в режиме, близком
к £=const.
5. Рассматривая устойчивость указанных схем, можно отметить,
что схема рис. 1-12,в является более устойчивой, так как она отно-
сится к типу программных САУ с корректирующей обратной связью
(см. гл. 2). Причем в силу специфики работы задающего устройства
она может быть отнесена к классу САУ с переменной структурой,
так как обратная связь по В при прохождении безгистерезисных,
участков на процесс регулирования намагничивающего тока не
влияет.
Из рассмотрения перечисленных особенностей следует, что схе-
ма рис. 1-12,0 является наиболее надежной и обеспечивает равную
разрешающую способность со схемами рис. 1-!12,а и б, а по точности
и производительности испытаний она их превосходит.
Глава вторая
АНАЛИЗ НАМАГНИЧИВАЮЩИХ СИСТЕМ
2-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЧЕСКИХ НАМАГНИЧИВАЮЩИХ СИСТЕМ
Одним из основных вопросов автоматизации испытания ферро-
магнитных материалов является обеспечение определенного режима
перемагничивания образца, при котором методическая погрешность
выходного параметра (индукции, намагниченности) не превосходит
заданного значения. Такой режим может быть достигнут в том слу-
чае, если внешнее поле будет изменяться по закону, обеспечиваю-
щему минимальное значение погрешности воспроизведения выход-
ного параметра. Следовательно, намагничивающая система должна
строиться как система автоматического управления (САУ) и удо-
влетворять комплексу требований, определяющих ее поведение
в переходном и установившемся режимах. Эти требования в основ-
ном состоят в следующем: хорошие динамические показатели про-
цесса управления, минимальное отклонение от заданного режима
работы САУ.
Очевидно, как качественные, так и точностные показатели ра-
боты системы зависят во многом от стабильности характеристик
объекта управления, регулятора и возмущающих воздействий на
систему. Поэтому различают частную и обобщенную точность регу-
лирования [22].
В процессе работы САУ параметры ее управляющего устройства
УУ не остаются постоянными, поэтому понятие обобщенной точно-
сти обычно расширяют, включая в нее надежность УУ, а так как
22

надежность работы любого устройства определяется- вероятностны-
ми характеристиками, то целесообразно оценивать и качество всей
системы с помощью вероятностного критерия — критерия эффектив-
ности системы. Этот "критерий дает весьма полную техническую ха-
рактеристику САУ, но его вычисление зачастую представляет зна-
чительные трудности.
^Получение численных оценок обобщенных критериев — сложная
задача, но даже приближенный учет перечисленных выше факторов
позволяет правильно подойти к выбору более частных критериев
управления, с помощью которых совместно с изменяющейся началь-
ной информацией можно правильно выбрать наиболее целесообраз-
ный для каждого конкретного случая принцип построения САУ.
Исходя из вышеизложенного, необходимо ввести для систем,
предназначенных для исследования ФММ в изменяющемся во вре-
мени внешнем магнитном поле, понятия частной и обобщенной
точностей воспроизведения СПГ.
Как известно, в статике связь между индукцией (намагничен-
ностью) в образце и напряженностью внешнего поля вследствие их
нелинейности выражается функциональными зависимостями вида
Яст=/(#ст), 'ст=ф(Яст). С2"1)
В общем случае (динамический режим перемагничивания) меж-
ду величинами В и Я не существует однозначной функциональной
зависимости. В условиях динамического перемагничивания связь
между В и Я выражается функционалом [4]
B(t)=N[Hit)], (2-2)
где N — оператор, для которого роль аргумента играет функция
f(t), т. е. вид функциональной зависимости напряженности поля от
времени
H=f(t). (2-3)
(Последнее подтверждается наличием бесконечного множества
динамических петель гистерезиса. Сам же функциональный опера-
тор для нелинейных статических характеристик носит также нели-
нейный характер, поэтому в динамическом режиме зависимости
(2-2) и (2-3) могут быть выражены уравнениями вида
B = F(B, Я,..., Я, Я, Я,...); (2-4)
/ = Ф(/, 7, Я, Я, Я,...), (2-5)
которым будут соответствовать гиперповерхности динамического
состояния.
Учитывая зависимости (2-2) и (2-4), погрешность воспроизве-
дения предельной петли гистерезиса по индукции в образце опре-
деляется как
QB(t)=BCr(t)-B(t)f (2-6)
т. е. как разность в значениях индукции в образце в статическом
и динамическом его состояниях. Согласно данному определению по-
грешности воспроизведения по индукции (или намагниченности)
можно составить структурную схему (математическую модель) про-
цесса перемагничивания образца, изображенную на рис. 2-1,а.
Введенное понятие погрешности воспроизведения СПГ является
понятием частной точности работы систем, предназначенных для
23

а) 6)
Рис. 2-1. Схемы образца ферромагнитного материала при перемагни-
чивании в квазистатическом режиме.
а — структурная схема; б — математическая модель.
воспроизведения параметров исследуемых ферромагнитных материа-
лов. Используя ее, можно правильно подойти к выбору типа и па-
раметров систем управления.
Обычно для создания систем управления целесообразно иметь
возможно большее количество информации не только об объекте
управления, о возмущающих воздействиях, но и о системе в целом.
При этом всю совокупность информации об управлении делят на
два вида: начальную (априорную) и рабочую информацию [22, 23].
2-2. ИСПЫТУЕМЫЙ ОБРАЗЕЦ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
В автоматической намагничивающей системе, предназначенной
для испытания ферромагнитных материалов в квазистатическом ре-
жиме, испытуемый образец входит составной частью в нее и явля-
ется по существу объектом управления, характеризуемым инерцион-
ностью и коэффициентом преобразования. В связи с этим необходи-
мо иметь о нем некоторую предварительную (априорную) информа-
цию, исходя хотя бы из приближенного представления теории на-
магничивания.
Ранее принималось, что процесс перемагничивания образцов
ФММ происходит согласно уравнениям (2-4) и (2-5), которые опре-
деляют связь между индукцией (намагниченностью) в образце и
напряженностью внешнего поля. Таким образом, образец как
объект управления характеризуется одной выходной координатой —
индукцией в образце B(t) [или J(t)] и одним управляющим воз-
действием—напряженностью внешнего поля Яв(/).
Для каждого конкретного образца уравнения (2-4) и (2-5)
имеют вполне определенную структуру и естественно являются
нелинейными. Как показано в [4, 21], для полного описания про-
цесса динамического перемагничивания образца необходимо учиты-
вать не только изменения величин В и Я во времени, но и их про-
изводные. Поэтому при заданном воздействии внешнего поля HB(t)
точка, которая изображает магнитное состояние образца, будет
описывать на гиперповерхности с координатами В, В, В, ...., Я, Я,
"Я ... траекторию, проекция которой на плоскость ВН дает динами-
ческую петлю гистерезиса.
Простейшая модель перемагничивания образца должна вклю-
чать в себя по крайней мере значение напряженности поля Я,
24

индукции В и производную от индукции во времени Б, т. е. опи-
сываться зависимостью вида
F (Я, В, В) = О, (2-7)
которая с известным приближением может быть представлена
в виде
U
B(t) = Л (Б) J [Я (t) - Яст] dt. (2-8)
h
Конкретная форма уравнения (2-7) может быть записана либо
на основе рассмотрения физических причин динамики процесса,
либо в результате анализа статических и динамических характери-
стик образцов ферромагнитных материалов.
Несмотря на сложность аналитического описания динамики про-
цесса перемагничивания образца в изменяющемся во времени внеш-
нем поле, он на отдельных линейно-аппроксимированных участках
кривой В (Н) может быть представлен в общем случае уравнением
дпв „ . дп-*В дВ ,
ТПт dtn +Тт-\ Jtn-i + --- + Ти dt
дН .
+ B(t)= k0 (В)
я (О + г21
dt
...+Гт2Ш-а—J , (2-9)
газ k0(B) = АВ/АН— статический коэффициент передачи образца;
Тат9 ^^-\—его постоянные времени, т^п. Если в уравнении (2-9)
ограничиться только первой производной от индукции в образце,
т. е. положить
Tnim= ... = T12 = T2l = ... =Tm2tn = 0t
то образец будет описываться уравнением первого порядка вида
T0B + B(t) = kolH(t)-HQ]9 (2-10)
где T0=k0(B) /R(B)=k0/R— постоянная времени образца.
Передаточная функция при этом соответственно имеет вид:
W0(P)= Тор°+{ =^Jfi = boWoAp)\ (2-10
^оо (Р) = rj+ 1 ' (2"12)
где Woo (р) — нормированная передаточная функция.
Тогда погрешность воспроизведения по индукции в образце
0в(р) можно определить из соотношений
евЫ = т^Т/'Я(р) = ^ГрЯ(р) =

Согласно уравнениям (2-10) и (2-11) на рис. 2-1,6 представлена
математическая модель перемагничивания образца. Эти уравнения
показывают, что образец — существенно нелинейный элемент. При
этом большое влияние на его параметры оказывает изменение ста-
тического коэффициента передачи кь(В). Так, например, k0 ленты
сплава 50НП при создании растяжения у кольцевых образцов на
отдельных участках кривой В(Н) может достигать оо и даже ме-
нять знак.
Уравнения (2-10) и (2-11) дают сугубо приближенную картину
процесса перемагничивания в образце. Однако такая модель может
быть использована для отыскания хотя бьГприближенных алгорит-
мов управления систем, предназначенных для снятия КСПГ, кото-
рые могут быть уточнены на реально действующих установках.
2-3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ
НАМАГНИЧИВАЮЩИХ СИСТЕМ
Намагничивающие устройства, предназначенные- для перемаг-
ничивания объекта-образца ФММ в квазистатическом режиме, по
принципам их построения и работы аналогичны системам автома-
тического управления. Поэтому их следует анализировать и строить
с позиций теории автоматического управления, учитывая при этом
их особенности, которые в основном состоят в следующем:
■1. Перемагничивание объекта происходит при непрерывном
изменении внешнего поля, поэтому в системе должно быть устрой-
ство, обеспечивающее изменение этого поля.
2. Физические свойства объекта исследования (статические и
динамические) заранее неизвестны, в отдельных случаях априорная
информация весьма ограничена.
3. Параметры образца могут изменяться в широких пределах.
4. Наиболее совершенными и точными первичными преобразо-
вателями магнитного поля являются индукционные преобразователи,
с помощью которых измеряются скорости изменения В и Я.
Цель анализа состоит в том, чтобы создать такую намагничи-
вающую систему, которая позволяла бы воспроизводить СПГ с» наи-
меньшей погрешностью и эта погрешность оставалась бы неизменной
на всех участках СПГ, т, е.
6B(0=const. (2-14)
Выражение (2-13) показывает, что для намагничивающих си-
стем нельзя подобрать такой оператор для внешнего поля Н(р),
чтобы он одновременно удовлетворял двум условиям:
1) внешнее поле в системе для снятия КСПГ должно непре-
рывно изменяться во времени во всем диапазоне воспроизведения
кривой В(Н)\
2) вынужденная составляющая погрешности воспроизведения
Оввын в установившемся режиме была бы равной нулю с тем, что-
бы обеспечить вьюокую точность воспроизведения СПГ.
Действительно, первое требование для систем сводится к тому,
что в выражении Я (р) должен появиться член вида а//?2, который
обеспечивает временную развертку внешнего поля H(t)=at. Поэто-
му, если подобрать другую его часть, равную D(p)/k9(p) и тем са-
мым скомпенсировать нули и полюса оператора 0В(р), обусловленные
уравнением объекта, то даже и в этом случае вынужденная состав-
2fi

ляющая погрешности воспроизведения при нулевых начальных усло-
виях будет отлична от нуля, что.легко проверяется из соотношении
(2-13):
°£вын :
■Um-'P (Т0р+1)
k„TnP (Т0р + \)а
= k0T0a:
R
К2ЛЪ)
р-+0~ Voy-гч Р
В общем виде структурная схема рассматриваемых систем
представлена на рис. 2-2,а, где принятые обозначения ясны из
принципа работы таких систем. Для такой структуры выражение по-
грешности будет иметь вид:
ПР. (р) + W4 (р)] W, (р) W3 (р) и3 (р)
X i + Wq (р) w,(p) W, (р) W0.c (р) '
(2-16)
в 2
г
о
а
з в
г]
а)
б)
Рис. 2-2. Структурная схема автоматической намагничивающей си-
стемы и фазовые траектории.
Анализ уравнения (2-16) показывает:
1) введение связи по управляющему воздействию W*(p) не
приводит к повышению динамической точности воспроизведения кри-
вой В(Н);
2) вынужденная составляющая погрешности воспроизведения
при любом алгоритме управления, если поле изменяется во времени,
не равна нулю. При этом обычные методы повышения точности
САУ путем введения в прямую цепь управления интегрирующих
звеньев не сводят данную погрешность к нулю;
3) введение интегрирующих звеньев в цепь главной отрица-
тельной обратной связи изменяет режим внешнего поля, а система
развертки поля вырождается в систему стабилизации его;
4) на величину погрешности влияет инерционность управляю-
щего устройства.
Таким образом, методу воспроизведения кривых В (Н) в изме-
няющемся во времени внешнем поле присуще наличие методиче-
ской погрешности воспроизведения 6(/). Поэтому главной задачей
при создании подобных систем является разработка таких алгорит-
мов управления для них, которые обеспечивали бы постоянство
вынужденных составляющих этой погрешности Эн или Ов на всех
участках воспроизводимой статической кривой В(Н). Следователь-
но, в основе создания автоматической намагничивающей системы
лежит выбор соответствующего закона изменения B=f(B)
(рис. 2-2,6).
27

■В связи с этим необходимо прежде всего определить, какие из
известных принципов и алгоритмов управления пригодны при соз-
дании, рассматриваемых систем. Выбор того или иного из них дол-
жен определяться имеющейся информацией об управляемом объек-
те, управляемом процессе и принятым критерием качества работы
САУ.
Из известных в теории автоматического управления принципов
их построения применительно к рассматриваемой системе анализи-
руются следующие: разомкнутые и замкнутые системы, системы
с переменной структурой, адаптивные (поисковые и беспоисковые)
системы. Необходимость такого рассмотрения связана со своеобра-
зием определения точности работы таких систем — наличием по-
грешности воспроизведения, присущей данному классу систем.
2-4. РАЗОМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ
В замкнутых системах управляющее воздействие x3(t) не
зависит от течения процесса в объекте управления и определяется
только программой управления, заложенной в управляющем устрой-
стве (2-3,а).
В силу этого разомкнутые системы в качестве самостоятельных
применяются обычно для выполнения простейших программ с не-
высокой точностью заданного закона регулирования.
x}(t)
УУ
U(t)
ОУ
x(t)
а)
UM I
Wt)
eB(t)
им
Рис. 2-3. Структурная схема намагничивающего
устройства разомкнутого типа.
Рассмотрим несколько структурных схем таких систем и опре-
делим основные соотношения, характеризующие их работу.
Как отмечалось выше, для создания изменяющегося во времени
магнитного поля в таких системах необходимо иметь не менее
одного интегратора в УУ или задающем устройстве (ЗУ) системы,
который и выполнял бы данную функцию.
На рис. 2-3,6 представлена структурная схема простейшей си-
стемы с одним интегратором в УУ и моделью перемагничивания
образца, описанной в § 2-1. Движение координат такой системы
28

может быть охарактеризовано операторными уравнениями (по
Лапласу):
*, , Rkak3U3(p) .
В(Р)
Н(р) =
RkJz3U3 (р)
Р (/>+«<>)
knk3U3 (р)
(2-17)
)
Р
Решения (2-17) при единичном возмущении на входе и нуле-
вых начальных условиях будут иметь вид:
SW = Wa, (1-Г"Г«); ]
B(t) = AoWs. [i-Mi -е~"т°)];. ( (2"18)
Н (t)=kttk3U30t. )
Погрешность воспроизведения определится из уравнения
9Д(*) = k2°kfU*° {l-e-t,T°). (2-19)
% Для обеспечения выполнения критерия качества работы систе-
мы (2-14), принятого при создании подобных систем и описанного
в [24—26], необходимо, чтобы поддерживалось постоянство произ-
водной от индукции в образце.
Однако при выполнении в данной системе критерия качества
(2-14) погрешность воспроизведения СПГ . согласно уравнению
(2-19) будет различной на различных участках кривой В(Н).
Зависимость погрешности воспроизведения от величины произ-
водной индукции по времени при различных значениях статического
коэффициента передачи образца (рис. 2-4) к0
ййвын = / Ф) ПРИ К (В) = const (2-20)
и зависимость времени прохождения изображающей точки т по
отдельным участкам кривой В (Я) от той же производной В
x=rf (В) при ко (В) = const (2-21)
[для удобства зависимости (2-20) и (2-21) совмещены на одном
графике (рис. 2-4,6)] могут служить для оценки точности работьГ
системы и времени воспроизведения кривой В(Н).
Уравнение (2-19) и графики рис. 2-4,6 показывают, что по-
грешность воспроизведения QB(t) при снятии КСПГ пропорциональ-
на квадрату статического коэффициента передачи объекта k0 на
различных участках воспроизводимой кривой В (Я). Это положение
является основным для данного класса систем.
Из сказанного следует, что требование поддержания постоян-
ства погрешности воспроизведения кривой В (Я) может быть по-
ложено в основу определения критерия качества работы подобных
систем, а исходя из этого, как известно, определяется и алгоритм
управления.
29

Последнее может быть обеспечено в системе рис. 2-3 или соот-
ветствующим изменением во времени задающего напряжения u3(t),
или соответствующим изменением во времени коэффициентов пере-
дачи управляющего устройства — k3 и кж.
Аналогичные соотношения получаются и для других структур
с одним интегратором, которые учитывают различные инерцион-
ности в УУ.
IT
4Л /
Л
\ввпРа«оь
1 ^ const
^02^ ■
а
Рис. 2-4. К построению зависимости погрешности воспроизведения по
индукции.
а — погрешность воспроизведения 0В при перемагничивании образца в режи-
ме 9B = const; б — зависимость погрешности 0В и времени перемагничивания x
от скорости изменения индукции В.
a}(t)
U/t)
Ujt)
к
М)
кз
р
7/>*7
Рис. 2-5. Структурная схема разомкнутой намагничивающей системы
с одним интегратором и инерционностью в управляющем устройстве.
Так, для разомкнутой системы с одним интегратором и одной
инерционностью в УУ (рис. 2-5) будем иметь:
. Rk„k3U> <Р]
В(р)=
Н(р) =
(/> + «о) (Тр+1)
ад (р)
Р(Р+*о) (Тр+1)
Ws (Р)
Р(Тр+\) •
(2-22)
30

При тех же условиях, что и для уравнений (2-17), решения
для (2-22) имеют вид:
B(t) =Ккфъи3Л\
Те
т
■Т0е '°
Т-Тп
т т
в (t) = k0kak3u30 \t - (г - т0) + ——TZT°e
H{t) = kJi3U3,\t-T(\-e T )]«
)
Погрешность воспроизведения определяется из выражения
t
k?oknk3U30
h (О
При Т = Т0 будем иметь:
k^ok^k^U..
т т
Те — Т0е
Т-Тп
t__ -1
(О
(2-23)
(2-24)
(2-25)
Уравнения (2-23)—(2-25) показывают, что инерционность управ-
ляющего устройства такой системы увеличивает переходную состав-
ляющую погрешности,, тогда как вынужденная составляющая ее
остается неизменной. При этом как переходная, так" и вынужден-
ная составляющие погрешности воспроизведения QB(t) будут раз-
личны на различных участках кривой В (Н). На насыщенных уча-
стках гистерезисной кривой, где k0 мало, а следовательно, мала и
постоянная времени образца Т0, переходная составляющая погреш-
ности 9 в пер будет определяться практически только инерцион-
ностью УУ (его постоянной времени Т) и чем больше будет ее зна-
чение, тем больше будет эта составляющая. На «спинке» СПГ, где
к0 велико, на бвпер будет оказывать влияние и инерционность
образца (его постоянная времени Т0).
Особенно значительных величин эта составляющая будет до-
стигать в том случае, если в управляющем устройстве будут звенья,
характеристические уравнения которых будут содержать комплекс-
но-сопряженные корни. В этом случае переходная составляющая
погрешности воспроизведения будет иметь колебательный харак-
тер, а максимальное ее значение будет определяться коэффициен-
том демпфирования звена.
'Поэтому, как и в обычных САУ, необходимо стремиться
к уменьшению величины переходной составляющей погрешности
с тем, чтобы ее влияние на общую точность воспроизведения КСПГ
0ыло наименьшим.
31

2-5. НАМАГНИЧИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ С НАСТРАИВАЕМОЙ
ПРОГРАММОЙ
В условиях производственного контроля качества изделий из
ФММ, когда из предварительных исследований установлены и при-
няты как типовые зависимости k0(B) и Т0(В) объекта, структуры
разомкнутой намагничивающей системы могут быть реализованы
наиболее просто.
Действительно, если задающее устройство реализует програм-
му, соответствующую типовым характеристикам объекта {к0 и Г0),
то намагничивающее устройство, обеспечивая перемагничивание кон-
тролируемого объекта, дает достаточно близкое воспроизведение
его СПГ. Такая система всегда устойчива, проста в эксплуатации,
надежна в работе и не требует большого времени на настройку
программы. Однако для нормальной работы такой системы необ-
ходима отстройка от внешних возмущений, что, с одной стороны,
осуществляется их стабилизацией и защитой от них устройства,
а с другой — введением ограничивающей, контролирующей обрат-
ной связи по В.
Из приведенного в работах [24, 25] анализа следует, что
разомкнутые намагничивающие системы могут быть реализованы
в двух основных вариантах:
1) с интегратором в управляющем устройстве при соответст-
вующем изменении во времени задающего напряжения u3(t) или
коэффициентов передачи управляющего устройства k3 и £и;
2) в виде системы, построенной по принципу компенсации
управляющего и возмущающего воздействий. В такой системе
в управляющем устройстве с помощью настраиваемых (по ампли-
туде и длительности) элементов формируется необходимый закон
изменения H(t). При этом информация о качестве работы системы
поступает от измерительного устройства, измеряющего B(t).
\В обоих случаях для уменьшения переходной составляющей
ошибки воспроизведения 6в(0 необходимо выбрать элементы
управляющего устройства с наименьшей инерционностью, а для
получения постоянной величины основной составляющей ошибки
закон изменения напряженности воздействующего поля H(t) дол-
жен иметь вид:
при 0B(/)=const
"М—кЩ-'' <2-26>
а при Вн (t) = const
H^=KWL (2-27)
Б силу отсутствия полной информации о свойствах исследуемо-
го объекта условие (2-26) точно выполнить не удается. Поэтому
в большинстве случаев при создании намагничивающей системы по
вариантам «1», «2» или их комбинации руководствуются условием
(2-27), когда 6н (£)=const, что соответствует B^const. В общем
случае намагничивающее устройство разомкнутого типа состоит из
задатчика кривой намагничивающего тока необходимой формы и
частоты, управляемого источника тока и источника внешнего маг-
нитного поля (соленоида или электромагнита).
32

Необходимая программа изменения H(t) может контролиро-
ваться оператором по визуальной оценке B{t) или с помощью кон-
тура самонастройки (разомкнутая самонастраивающаяся система).
Форма кривой внешнего поля' (намагничивающего тока) и ча-
стота перемагничивания при заданном значении 6н(£) определяются
характером зависимости В (Я) и геометрическими размерами образ-
ца испытуемого ферромагнитного материала.
Большое разнообразие типов ФММ и геометрических размеров
образцов вызывает необходимость создания устройства, форми-
рующего оптимальную кривую* внешнего поля в широком диапазоне
изменения его формы и частоты. Задача выбора необходимой фор-
мы кривой поля целиком возлагается на задающее устройство
(ЗУ). Исходя из указанных особенностей работы в зависимости от
характеристик материала и размеров образца, ЗУ можно разделить
на следующие виды.
1) для испытания образцов МТМ средних и больших размеров;
время цикла перемагничивания 5—50 с.
2) для испытания малогабаритных образцов МТМ; время цикла
перемагничивания 0,2—5 с;
3) для испытания низкокоэрцитивных материалов, в том числе
имеющих участки характеристик с отрицательным k0\ время цикла
перемагничивания 20—200 с.
А. Намагничивающие устройства для испытания нормальных
и крупногабаритных образцов МТМ
Автоматизация исследования статических характеристик совре-
менных МТМ с повышенной точностью требует выполнения ряда
специфических условий, основными из которых являются следую-
щие:
1) создание полей, достаточных для получения предельных
петель гистерезиса;
2) обеспечение высокой .однородности поля в объеме размеще-
ния испытуемого образца и первичных измерительных преобразо-
вателей;
3) обеспечение -стабильности изменения намагничивающего по-
ля при циклическом перемагничивании образцов.
Лервые два условия обеспечиваются правильным выбором гео-
метрических размеров объекта и полюсов и значением намагничи-
вающей силы обмотки элек-
тромагнита. Выполнение треть-
его условия достигается выбо-
ром соответствующей струк-
турной схемы намагничиваю-
щего устройства (НУ) и его
элементов.
Структурная схема одного
из возможных вариантов НУ
представлена на рис. 2-6, где
/ —задающее устройство (ЗУ),
формирующее необходимый закон изменения H\t)\ 2 — промежуточ-
ный усилитель мощности (ПУМ); 3 — управляемый источник тока
(УИТ); 4 — электромагнит (ЭМ) с исследуемым образцом МТМ (5).
Задающее устройство задает оптимальный закон намагничиваю-
щего поля и частоту его изменения при испытаниях МТМ.
3-841 33
3 W
Рис. 2-6, Структурная схема на-
магничивающего устройства ра-
зомкнутого типа.

Выходное напряжение ЗУ u3(t) преобразуется посредством
ПУМ и УИТ в ток обмоток электромагнита, в зазоре которого уста-
новлен испытуемый образец.
Мощность УИТ для исследования нормальных и крупногаба-
ритных образцов МТМ (/Об^100 мм) в большинстве случаев не
превышает 5—10 кВт. В качестве УИТ можно использовать элек-
тромашинный усилитель ЭМУ, систему ЭМУ — генератор, транзи-
сторный или тиристорный усилители.
При выборе элементов и построении намагничивающего устрой-
ства (НУ) определяющими условиями являются точность вос-
произведения заданного закона изменения намагничивающего поля
и его стабильность. Точность воспроизведения H(t) определяется
линейностью и однозначностью коэффициентов преобразования эле-
ментов НУ и его динамическими свойствами, а стабильность изме-
нения намагничивающего поля — стабильностью коэффициентов
преобразования звеньев НУ и всей системы в целом.
Форма кривой H(t) будет соответствовать u3(t) в том случае,
если коэффициенты звеньев
Uпум . ^уит ^уит . Н
k2 = ~U ' =77 =77 ъ » Ьэм=—/ (2-28)
^зу ипум ^пум^эм шуэм
будут постоянными во всем диапазоне изменения задающего на-
пряжения.
Коэффициент преобразования электромагнита k3M принципиаль-
но нелинеен в области сильных полей. Его нелинейность должна
учитываться при формировании u3(t) в задающем устройстве. Не-
однозначностью &эм при изменении /Эм можно пренебречь, так как
ярмо электромагнита выполняется из магнитомягкого материала.
ПУМ представляет собой электронный или. магнитный усилитель
мощности, коэффициент преобразования которого k2 при увеличе-
нии и уменьшении входного воздействия обозначен и линеен
в расчетном диапазоне изменения выходного напряжения [32].
Основным звеном, вызывающим искажение формы кривой H(t),
является УИТ, выполненный на базе ЭМУ (или ЭМУ-генератор),
коэффициент усиления которого изменяется неоднозначно при уве-
личении и уменьшении тока управления и зависит о г диапазона
изменения входного" сигнала из-за гистерезиса и насыщения магнит-
ной цепи. Введение ООС по току или напряжению позволяет суще-
ственно снизить влияние собственного гистерезиса ЭМУ на измене-
ние коэффициента преобразования.
Задающее устройство является низкочастотным генератором
периодических сигналов несинусоидальной формы. В основу прин-
ципа построения ЗУ положена аппроксимация СНГ исследуемых
типов ФММ и соответствующей ей оптимальной формы кривой на-
магничивающего поля.
Если принять аппроксимацию кривой В (Я) отрезками прямых,
то кривая H(t) может быть задана несколькими линейными участ-
ками с регулируемой скоростью нарастания и длительностью отдель-
ных участков (рис. 2-4,а). Увеличение порядка (числа участков)
ломаной аппроксимирующей СПГ позволяет добиться 6(/)=const
в течение всего цикла перемагничивания образца ФММ, но услож-
няет процесс выбора требуемой формы H(t).
Структурная схема ЗУ подобного типа приведена на рис. 2-7,а.
Искомая зависимость полупериода H(t) формируется дискрет -
34

м.
Тг
СТ
НО
/13
CP
\ПУМ
а)
И
су
Схема упрадления
ЗГ
CP
Счет чин
ПУМ
б)
Рис. 2-7. Схема задающего устройства на мультивибрато-
рах (а) и дискретного типа (б).
но из четырех частей. Напряжение другой полярности достигается
реверсом сигнала ЗУ. Принцип работы схемы рис. 2-7,а состоит
в следующем.
При включении сигнала запускается первый ждущий мульти-
вибратор Mi, который, срабатывая, замыкает транзисторный ключ
Ки начинается заряд конденсатора Ci через переменное сопротив-
ление, значением которого регулируется скорость нарастания на-
пряжения на первом участке.. По окончании заряда запускается
второй мультивибратор М2, который аналогично первому, с другой
постоянной времени, заряжает конденсатор Ci — формируется вто-
рой участок зависимости #(/). Аналогично формируется третий
участок. После окончания импульса срабатывает триггер управле-
3* 35

ния Гг. После разряда конденсатора С\ до нуля сравнивающее
устройство СУ формирует импульс, который через линию задержки
ЛЗ изменяет полярность сигнала на выходе и запускает снова пер-
вый мультивибратор Mi для формирования следующего полупе-
риода H(t) и т. д.
Длительность цикла перемагничивания регулируется от 2 до
60 с с плавным перекрытием всего диапазона. Настройка формы
кривой H(t) при смене образцов МТМ осуществляется изменением
длительности импульсов отдельных мультивибраторов и постоянной
заряда конденсатора.
К недостаткам схемы следует отнести нестабильность длитель-
ности циклов перемагничивания, вызванную нестабильностью им-
пульсов мультивибраторов и не-
линейностью отдельных участков
зависимости H(t).
Другой вариант ЗУ, исполь-
зующий подобный принцип форми-
рования H(t), выполнен на основе
задающего генератора импульсов
ЗГ и ключевой схемы управления.
Схема ЗУ приведена на рис. 2-7,6.
Задающий генератор форми-
рует последовательность импуль-
сов, частота -повторения которых
может задаваться в широких пре-
делах. Импульсы генератора по-
ступают на счетчик, к выходам
которого подключена схема уп-
равления, формирующая импуль-
сы в моменты времени, соответ-
ствующие точкам /—4 (см. рис.
2-4,а). Импульсы запускают клю-
чи управления (Ки #2, . • ) инте-
гратором Я, формирующим кри-
вую выходного напряжения. Крутизна отдельных участков кривой
H(t) задается изменением входного напряжения интегратора.
Данное устройство свободно от. недостатков ЗУ на ждущих
мультивибраторах и обеспечивает более широкий диапазон регули-
рования.
Процесс настройки оптимальной формы намагничивающего
поля при перемагничивании образцов различных МТМ значительно
сокращается, если требуемая зависимость H(t) будет формировать-
ся не из п отдельных линейных участков кривой, а из двух перио-
дических, независимо регулируемых напряжений: основного задаю-
щего tiocu(t)y соответствующего перемагничиванию по спинке СПГ
(рис. 2-8,а, точки 0, 1, 2, 3) и напряжения импульса мИмп(0> соот-
ветствующего намагничиванию образца до насыщения (рис.. 2-8,6).
Задающее напряжение может быть получено преобразованием
периодического напряжения инфранизкой частоты (треугольной или
синусоидальной формы), например, с помощью регулируемого диод-
ного ограничителя напряжения и наложением на него в момент
максимума uocn(t) напряжения дополнительного импульса.
(В качестве источника периодического напряжения треугольной
формы, регулируемего в широком диапазоне инфранизких частот
от 0.01 до 1 Гц, используется поворотный трансформатор ПТ с вклю-
Рис. 2-8. Формирование задаю
щего напряжения u3(t) сумми
рованием двух напряжений.
36

чением роторных обмоток по схеме рис. 2-9,а. В этом случае ток /н
в нагрузке RH будет изменяться по закону, представленному на
рис. 2-9,6. Структурная схема ЗУ приведена на рис. 2-10.
Синус-косинусный поворотный трансформатор совместно с диод-
ным ограничителем (ДО) представляет собой формирователь основ-
ного задающего напряжения (ФОН). Частота перемагничивания
образца и наклон участка 0-1 (рис. 2-8) регулируются скоростью
вращения двигателя (34). Положение точки 1 определяется уров-
нем напряжения подпора ограничителя £/0гр. Плавный переход от
точки 1 к точке 2, соответствующей колену спинки СПГ, достигает-
ся за счет нелинейного сопротивления открывающегося диода, на-
клон участка 2-3 регулируется сопротивлением в цепи ограничителя.
Рис. 2-9. Схема поворотного трансформатора для получения основной
составляющей u3(t) (а) и зависимость /н=/(а) (б),
37

В момент максимума H(t) замыкаются контакты кулачкового
переключателя ПК и подается напряжение на вход формирователя
импульса напряжения (ФИН). Форма импульса регулируется пара-
метрами RC ФИН. Для согласования выходного, сопротивления
ФИН со входом суммирующего усилителя используется катодный
повторитель 1КП, изменением коэффициента передачи которого ре-
гулируется амплитуда импульса.
Согласование полярности импульса и основного задающего на-
пряжения Uосп, синхронизация момента включения и длительности
импульса с периодом '£/оСн, осуществляется контактами кулачко-
вого переключателя, кулачки которого расположены на одной оси
с поворотным трансформатором.
Рис. 2-10. Структурная схема задающего устройства.
Формирователь напряжения импульса (ФИН) представляет
собой пассивный четырехполюсник (рис. 2-11,а), на вход которого
подается прямоугольный импульс напряжения, длительность кото-
рого т. определяется временем замкнутого состояния контактов ку-
лачкового переключателя и зависит от частоты перемагничивания
образца.
Коэффициент передачи ФИН равен:
К(Р)
ивых(р) _
1
^вх (Р) ЖЛ+^+Я А) P+TxTtp •
(2-29)
где
7WJiCi; T2=RzCi>Ti.
(2-30)
Форма импульса на выходе ФИН при т<Г2 представлена на
рис. 2-11,6.
Б. Намагничивающее устройство для испытания
малогабаритных образцов МТМ
Основным недостатком метода медленно изменяющегося внеш-
него поля применительно к образцам малых размеров является низ-
кая чувствительность индукционных преобразователей, определяемая
в основном габаритами образца и скоростью изменения индукции.
Анализ динамики перемагничивания МТМ [24] показал, что при
38

испытании малогабаритных магнитов скорость изменения индукции
может быть в значительной степени повышена. Однако в этом слу-
чае возникают трудности <в построении быстродействующих измери-
тельных и регистрирующих цепей, намагничивающего устройства,
параметрического задания программы перемагничивания. Поэтому
выбор структуры и элементов системы, реализующей метод медлен-
но изменяющегося внешнего поля, требует решения ряда вопросов
исследования динамических свойств системы намагничивания.
Наиболее рациональным способом создания намагничивающей
системы с настройкой по характеристикам объекта является построе-
ние регулятора с переменным коэффициентом преобразования так.
0-
а)
Рис. 2-11. Схема формирования импульъа и форма им-
пульса напряжения на выходе ФИН.
Рис. 2-12. Структурная схема установки для испытания мало-
габаритных постоянных магнитов.
чтобы коэффициент усиления разомкнутой системы оставался при-
мерно постоянным. В этом случае должно выполняться соотношение
*рег(/)=£р(0/М0. (2"31)
где kp (t) — коэффициент разомкнутой системы; kper (t) — коэффи-
циент усиления регулятора; k0(t)—коэффициент преобразования
объекта.
Такое построение делает систему чувствительной к изменению
параметров объекта, так как информация о его состоянии изучается
в управляющем устройстве не только для выработки управляющих
сигналов, но и с целью определения характеристик объекта.
Результаты моделирования системы намагничивающего устрой-
ства для испытания малогабаритных магнитов [24] были положены
в основу построения установки для исследования характеристик
39

МТМ в малых объемах, структурная схема которой приведена на
рис. 2-12, где / — задатчик формы намагничивающего тока (ЗУ);
2 — усилитель мощности (УМ); 3 — электромагнит с помещенными
в его зазор образцом и измерителями напряженности поля и маг-
нитной индукции; 4 — усилитель сигнала, пропорционального на-
пряженности магнитного поля; 5 — усилитель сигнала, пропорцио-
нального скорости изменения индукции; 6 — интегратор; 7 —реги-
стрирующий прибор; 8 — схема сравнения; 9 — двухполярный
источник опорного напряжения; 10 — триггер с регулируемым вы-
ходным напряжением; 11 — интегратор.
Закон линейного изменения индукции во времени за цикл пере-
магничивания достигается применением задатчика формы намагни-
чивающего тока. Простейший задатчик может быть выполнен в ви-
де последовательной цепи, состоящей из катушки индуктивности
с ферромагнитным сердечником L и резистора R. При подаче
с триггера на вход задатчика напряжения ток через резистор изме-
няется по закону, определяемому динамическим гистерезйсным цик-
лом материала сердечника. Действительно, если источник входного
напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, а активное
сопротивление цепи мало, то справедливо выражение
di di п дВ
U==L^dr + Ri-L4F:==Sw "ЭР (2_32)
Решая уравнение относительно тока, получаем:
^ ■ dt. (2-33)
Индуктивность катушки равна:
w2S дВ
дН
(2-34)
где w — число витков катушки; S — сечение сердечника; 1Ст — сред-
няя длина магнитопровода; дВ/дН— дифференциальная магнитная
проницаемость.
С учетом последнего выражения имеем:
i(t)=kH(B). (2-35)
(Принципиальная схема ЗУ, построенная с применением решаю-
щего суммирующего усилителя (СУ), приведена на рис. 2-13.
Усилитель мощности, построенный по схеме эмиттерного повто-
рителя в режиме класса Б, обеспечивает циклическое перемагничи-
вание материала дросселя Др с выходом в область насыщения.
Характеристика материала сердечника дросселя Н(В) соответствует
средневероятной форме намагничивающего поля. 'Параметры дрос-
селя (число витков, сечение сердечника) выбираются по соотноше-
ниям (2-32) и (2-33)
где R1 — сумма выходного сопротивления усилителя, сопротивления
обмотки Др и #4.
Требуемые динамические характеристики усилителя мощности
определяются геометрическими размерами образца и спектральным
составом входного и выходноге сигналов, которые в свою очередь
40

Зависят от характеристики МТМ и отношения максимального ноли
к коэрцитивной силе Нм/Нс. Так, например, при исследовании
спектра намагничивающего поля при перемагничивании образца
типа ЮНДК24 в режиме постоянной скорости изменения индукции
при отношении Ям/Яс=5 получены результаты, представленные
в табл. 2-1.
Таблица- 2-1
Номер гармоники
1
3
5
7
9
П
13
15
Отношение к 1-й
гармонике, %
100
62
30
18,5
11
6,5
3,2
1
Характеристики этого материала принимаются за основные при
выработке требований к динамическим (амплитудно- и фазочастот-
ным) характеристикам отдельных блоков.
По результатам расчета динамики перемагничивания в усло-
виях медленно изменяющегося поля выбирается частота цикличе-
ского перемагничивания испытуемого материала. Так, например,
для образца сечением 5X5 мм2 период перемагничивания должен
быть не менее 0,5 с, при этом погрешность из-за влияния вихревых
токов на процесс перемагничивания не превысит 0,1% Яс, а верх-
няя граничная частота будет около 20 Гц.
/г7
Рис. 2-13. Принципиальная схема задатчика формы и ча-
стоты тока намагничивающих обмоток.
Усилитель мощности должен иметь относительно малый дрейф
(это требование особенно важно при снятии основной кривой на-
магничивания) и малый уровень пульсаций.
Блок реверса перемагничивания задает программу циклического
перемагничивания материала (предельная СПГ, частные циклы
и др.). Его составными частями являются: двухполярный источник
опорного напряжения, схема сравнения, триггер с регулируемым
выходным напряжением (9—11 на рис. 2-12).
41

Задатчик формы, выполненный на базе дросселя (рис. 2-13)7
имеет ограниченный снизу частотный диапазон. Поэтому при необ-
ходимости фиксации СПГ на прецизионном электромеханическом
двухкоординатном регистрирующем приборе необходимо вводить
масштабирование, что значительно усложняет устройство.
Структурная схема задающего устройства, представленная на
рис. 2-14,а, позволяет изменять скорость перемагничивания в широ-
ких пределах, включая ультранизкие частоты. Здесь приняты сле-
дующие обозначения: Т — триггер с эмиттерным повторителем;
Рис. 2-14. Схемы задающего устройства на интеграторе и стабили-
тронах.
И — интегратор; НЭ — нелинейный элемент; К — компаратор;
ИОН — источник опорного напряжения; R2 и i?i — резисторы для
установки соответственно Нс и Ям.
Нелинейный элемент представляет собой два встречно включен-
ных стабилитрона, шунтированных резистором R3 (рис. 2-14,6).
Принцип работы ясен из схемы.
2-6. ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ
Основным принципом построения замкнутых САУ является
принцип регулирования по отклонению. Реализация этого принципа
приводит к формированию замкнутых, контуров управления
(рис. 2-15,а), где рабочей информацией служит отклонение выход-
ной величины xc{t) от заданного x3(t), т. е. рассогласование
e(t)=x3(t)—xc(t). (2-37)
\В таких системах УУ реагирует на сигнал рассогласования та-
ким образом, чтобы управляющее воздействие u(t) приближало
управляемую величину xc(t) к заданному ее значению x3(t). Нали-
чие отрицательной обратной связи (ООС) обеспечивает существен-
ное повышение обобщенной точности подобных систем по сравнению
с системами, работающими по разомкнутому циклу. Поэтому такие
системы в большинстве случаев обеспечивают выполнение возло-
женных на них функций.'
•Поскольку характеристики ОУ (образца) заранее неизвестны,
то задать программу изменения внешнего поля H{t) до проведения
42

опыта нет возможности. Эта программа должна вырабатываться
в системе на основании поступающей от ОУ информации, т. е. ра-
бочей информации, что может быть выполнено в системах с ООС.
1. Наиболее правильным решением поставленной задачи явля-
лось бы, на первый взгляд, создание системы, работающей на под-
держание погрешности воспроизведения 0в(О в заданных пределах,
т. е. системы, у которой за регулируемую величину принята по-
грешность воспроизведения
eB(t)=BCT(t)-B(t), (2-38)
или
QB(t)=&oHit)-B(t). (2-39)
Тогда, задавая непосредственно .погрешность бвзад или пропор-
циональное ей напряжение U3, можно было бы построить систему
регулирования так, чтобы погрешность лежала в заданных преде-
лах (рис. 2-15,6). Однако такая структура приводится к системе
регулирования с положительной главной обратной связью по B(t)
и охвату УУ отрицательной обратной связью по H(i) через коэф-
фициент передачи объекта ik0, который неизвестен (рис. 2-15,в).
В такой системе временная развертка поля H(i) может быть осу-
ществлена только в том случае, если и3 будет меняться во времени.
Системы с положительной главной обратной связью являются не-
устойчивыми САУ, поэтому рассмотрение их в дальнейшем не пред-
ставляет интереса, тем более что погрешность в такой системе не-
посредственно измерить невозможно.
2. Намагничивающие системы, предназначенные для воспроизве-
дения СПГ объектов при отсутствии априорной информации о них
(когда k0 и Г0 неизвестны), должны сами выбирать программу,
т. е. сами настраиваться. Простейшей реализацией самонастраиваю-
щейся намагничивающей системы является замкнутая система ре-
гулирования, которая может строиться по двум выходным коорди-
натам: по производной от индукции В (среднему ее значению)
в образце и по индукции (средней) B(t) в образце.
При разработке подобных систем, исходя из принятого част-
ного критерия качества их работы (2-14), необходимо подобрать
такую структуру САУ и алгоритм управления для нее, при кото-
рых этот критерий выполнялся бы с максимально возможной точ-
ностью. Наиболее точными системами будут такие, у которых вы-
нужденная составляющая погрешности будет неизменной в течение
всего цикла перемагничивания образца. Поэтому представляется
целесообразным рассмотреть различные структуры САУ и найти
для них установившиеся значения погрешности воспроизведения
при различных алгоритмах управления.
Замкнутая система с выходной координатой — производной от
индукции (средней) в образце представлена на рис. 2-15,г. Для нее
операторное уравнение погрешности будет иметь вид:
л [[Л k0T0p Wl(p)W3(p)B3(p) ,2_4ГЛ
*в W - Т0р+\ 1 + PW0 (р) (р) W0,c (р) К '
По уравнению (2-40) найдем установившиеся значения погреш-
ности при различных значениях передаточных функций элементов,
входящих в структуру.
44

Рассмотрим алгоритм управления 0H(O=const> который обыч-
но «используется при создании подобных систем [14, 27, 28 и др.].
Для системы рис. 2-15,г имеем:
Wi (р) = К1р\ wt (р) = К\ ^о.с (р) = ^о.с;
W0 (Р) = К/Т0р + 1; В3 (р) = S30//>. (2-41)
Тогда по уравнению (2-40) найдем:
ЬоГоркък,3В30
9В Ы = "
— коТоккк3В30
(2-42)
P[(^+l) + Wo.c]
и установившееся значение погрешности воспроизведения будет:
6Вуст = Иш 9В(0 = Иш р9е (р) = +t^,c) • (2-42а)
Если в системе выполняется условие k0kakOtC^> 1, то
/c0/c3jj30
и при &3=£0 ,с будем иметь:
(2-426)
ввуст-тМ8- (2-43)
Уравнение (2-43) показывает, что погрешность воспроизведения
по индукции растет пропорционально статическому коэффициенту
передачи объекта k0. Такое кажущееся, на первый взгляд, противо-
речие в рассматриваемых системах объясняется особенностью опре-
деления введенного понятия ошибки воспроизведения. Эта ее осо-
бенность приводит к тому, что обычные приемы увеличения дина-
мической точности работы систем здесь неприемлемы. Действительно,
для обычных систем увеличение их динамической точности дости-
гается за счет:
увеличения коэффициента усиления разомкнутой САУ;
повышения порядка астатизма системы за счет введения инте-
грирующих звеньев в прямую цепь системы;
введения связей по управляющему и возмущающему воздейст-
виям в систему (комбинированное управление).
Рассмотрим возможности использования этих методов для
уменьшения погрешности воспроизведения.
Увеличение коэффициента усиления объекта управления к0,
как видно из уравнений (2-42), (2-43), приводит к увеличению по-
грешности воспроизведения. Изменение коэффициента передачи кц
практически не влияет на величину погрешности и только увеличе-
ние глубины ОСС (увеличение коэффициента к0 с) приводит
к уменьшению погрешности, но это практически означает изменение
масштаба выходной величины B(ti).

Увеличение точности за счет повышения астатизма системы при-
водит к передаточной функции УУ вида
(р) = -jr, (2-44)
т. е. в УУ вводится еще один интегратор. В этом случае 9 в (О бу-
дет равна:
°bKP) = ~JWc
откуда
в(Р'~ Р[(ТоР+1)Р + к0кнк0.с] V-*b>
b b R
Таким образом, увеличение астатизма системы не приводит
к уменьшению установившегося значения погрешности воспроизве-
дения системы.
Нетрудно увидеть из уравнения (2-40), что дальнейшее введе-
ние в прямую цепь интегрирующих звеньев не приведет к умень-
шению погрешности воспроизведения Овуст, она по-прежнему будет
определяться выражением (2-45). Однако то же выражение (2-45)
показывает, что при k0,c—>-«> Овуст—но при этом, как извест-
но, САУ потеряет устойчивость, а следовательно, и работоспособ-
ность.
При введении в цепь отрицательной обратной связи интегри-
рующего звена с передаточной функцией
Wo.c(P)=k0.c/p (2-46)
из уравнения (2-40) получим:
о /ч k0T0p. kuk3B30
°в (р> - (Т0р + 1) р Г , коР к&.
^рГр^и^З^ЗО
ТоР+1
Р (ТоР + 1) + *А*о.с
(2-47)
отсюда
9В =Нтр8еЫ-.0. (2-48)
При этом замкнутый контур системы не теряет устойчивости.
Действительно, операторное уравнение выходной координаты замк-
нутой системы при единичном возмущении на входе, т. е. при
B3(t)=B30\(t), будет:
Из уравнения (2-49) видно, что замкнутая система описывается
уравнением второго порядка и может быть устойчива. Однако если
рассмотреть работу этой системы из физических соображений, то
нетрудно заметить, что такая система отрабатывает только данное
задаваемое ей значение Вз0. По достижении же определенного зна-
чения индукции в образце ВСт* т.. е. при сведении погрешности вос-
46

{фойзведения к нулю, система остановится и для дальнейшего её
движения необходимо устанавливдть новое значение Вз0. Таким
образом, меняя непрерывно значения Вз0у после отработки системой
будем попадать каждый раз в-точки, которые лежат на действи-
тельной кривой В(Н). Подбирая разные значения Вз0 на различных
участках, можно получить достаточное число точек, которые при-
надлежат кривой В(Н). Аналогичные результаты можно получить
и для случая, когда передаточная функция управляющего устройст-
ва представлена безынерционным звеном.
Увеличение числа интегрирующих звеньев в цепи обратной свя-
зи не дает должного эффекта.
Таким образом, для получения нулевого значения установив-
шейся погрешности при минимальных технических затратах лучшим
будет алгоритм, выраженный уравнением (2-49). Другие алгоритмы
хотя и приводят к нулевой установившейся погрешности воспроиз-
ведения, но требуют для своего осуществления наличия большого
числа интегрирующих звеньев в системе, что, естественно, пли удо-
рожает ее техническую реализацию, или приводит к неустойчивой
работе ее замкнутого контура.
Рассуждениями, аналогичными тем, которые были приведены
выше, можно показать, что только имея интегратор, включенный
в цепь обратной связи, можно свести установившееся значение по-
грешности к нулю. При этом замкнутая часть контура будет иметь
характеристическое уравнение 2-го порядка
ГоР2+Р+£о£:и/го.с=0, (2-50)
и система будет устойчива. Однако изменение параметров системы
при прохождении всех участков кривой В (Н) приводит к измене-
нию расположения корней характеристического уравнения (2-50),
что в значительной степени будет сказываться на характере пере-
ходного процесса в системе. Быстрого затухания переходного про-
цесса в такой системе не происходит и поэтому снять кривую В (Н)
с малой вынужденной составляющей погрешности воспроизведения
не представляется возможным.
В реальной системе кроме объекта имеется, как минимум, два
инерционных элемента (электромагнит и управляемый источник
тока). Поэтому анализ влияния этих инерционностей на погрешность
воспроизведения ч определение путей снижения ее имеет важное.
яначение для технической реализации системы.
Из рассмотренных ранее алгоритмов управления наиболее про-
стым, с точки зрения технической реализации, является алгоритм,
выраженный уравнением (2-42).
Рассмотрим простейшую замкнутую намагничивающую систему.
Одним из важнейших показателей качества замкнутой САУ
является ее устойчивость. При проверке устойчивости САУ, предна-
значенной для стабилизации ЭДС, индуктированной в измеритель-
ной обмотке образца при весьма медленном его перемагничивании,
т. е. поддержании £=const, приходится говорить не об устойчи-
вости системы, а об устойчивости состояний равновесия системы,
так как в ней содержится звено с существенной нелинейностью.
Такая система может считаться устойчивой, если устойчивы все
возможные состояния ее равновесия.~
Так как запас устойчивости системы будет минимальным при
максимальном статическом коэффициенте передачи систем, то вместо
исследования устойчивости равновесия системы при всех возмож-
47

ных значениях координат можно ограничиться исследованием ее
устойчивости в/точке, соответствующей максимальному коэффициен-
ту передачи. При этом все остальные состояния системы будут за-
ведомо устойчивы [35].
Таким образом, если определить максимальную крутизну пере-
даточной функции нелинейного элемента и, следовательно, системы
в целом, то дальнейшее исследование устойчивости совпадает
с исследованием устойчивости линейных систем [35, 36].
Как было показано в § 2-1, при кусочно.-линейной аппроксима-
ции передаточная функция объекта описывается выражением
W0(p)=ko/(T0p-\-l)t т. е. объект измерения является инерционным
звеном первого порядка с переменным коэффициентом передачи k0
и постоянной времени Г0.
Передаточная функция такого объекта с учетрм инерционности
измерительной обмотки имеет вид:
kHkDk0p
где кн и кв — соответственно коэффициенты передачи намагничи-
вающей и измерительной обмоток.
При питании намагничивающей обмотки от источника тока и
при работе измерительной обмотки в режиме, близком к холостому
ходу, коэффициенты kH и kB практически постоянны и имеют зна-
чения:
wH
kv = ^R^f kB = SwB.
В квазистатическом режиме перемагничивания источник тока
реализуется легко, так как сопротивление намагничивающей обмот-
ки обычно невелико.
W/p)
W2(p)
w3fP)
H(t)\
W^fp)
Рис. 2-16. Структурная схема автоматического НУ для испы-
тания МММ.
Таким образом, структурная схема автоматического НУ, напри-
мер, для испытания кольцевого образца МММ может быть пред-
ставлена в виде, показанном на рис. 2-16, где передаточные функ-
ции отдельных звеньев имеют следующий вид: Wi(p) = \/(Tip) —
передаточная функция интегратора; W2(p)=k2/{Т2р-\-\)—переда-
точная функция управляемого источника тока; W3(p)=kH—
передаточная функция намагничивающей обмотки; Wv(p) =
=к0/(Тор+1)—передаточная функция объекта измерения; W5(p) —
=\kBp — передаточная функция измерительной обмотки; Wq (/?)==
48

^=k6f(Tep-\-\) — передаточная функция усилителя; W0.c(p)=k0.c —
передаточная функция звена обратной связи.
Передаточная функция разомкнутой системы WP (р) имеет вид:
Wv (р) =Wi (р) Wz(p) W3 {p)Wi (р) W5 (р).
Передаточная функция замкнутой системы по каналу управ-
ляющего воздействия равна:
^зам(р)= \+WP(p)W0.c{p) (2"51)
Подставляя передаточные функции звеньев в„ (2-51) и предпола-
гая Г3=0, получаем:
k2k0k6kHkB
«Гзам(/>)= TAT0P+l)Flp+\)(T,p+l) + ktk0k.kHkBk0.c '
откуда характеристическое уравнение системы запишется в виде
aip3+a2p2+a3p+kQ=0, (2-52)
где
ai=T0TiT2Te; а2=Т^Т2Т 0+TJ 0)\ a3=Ti(T2+T0+Te)-,
k3=Ti-\-k2\k0k%kHkBk0.c.
Согласно критерию устойчивости Гурвица, система устойчива,
если выполняется неравенство a2az>aik2, которое может быть
представлено в виде
53)
где т62=Г6/Г2.
Учитывая, что перемагничивание образца осуществляется в ре-
жиме, близком к B=const, среднее значение В можно определить
по формуле
6_*Pl=jwl_w (2.54)
Из сравнения (2-54) с (2т 10) видно, что
* = To-fc-^ko. (2-55)
Подставляя (2-55) в (2-53), находим предельное значение k9l
выраженное через параметры образца:
KITх < (ко -^ГГ + l) (1 + ^ +
+ (2"56)
Минимизируя предельное k3 по а, получаем:
(ВДмакс < (р=тЬ + О- (2-57)
4—841 49

Поставляя значение k3' в (2-57) и преобразуя, записываем!
<К2 + 2Кт62+ 1)
Т ^ vL62 -г * у '"6 2 -г А; ^" 1 -с62 у (2-58)
Таким образом, для известных параметров звеньев замкнутой
системы НУ по (2-58) можно провести количественную оценку пре-
.дельного значения любого из коэффициентов левой части неравен-
ства.
Для примера определим предельное максимальное значение
кбко.с при заданных параметрах звеньев НУ для испытания образ-
цов МММ. Задано: wH=20; SwB=\0~3 м2; #ср=15-10-3 м; 74=1 с;
Л2^Ю3; Г2^10-5 с.
Для транзисторного УПТ с фотоэлектрическим преобразовате-
лем Т6 составляет доли секунды, примем Г6=0,1 с.
(Предельное максимальное значение &0.с&б будет равно:
для безгистерезисных участков СПГ при ko=\0~5 Г/м ko.ckQ=
=5-104;
для спинки СПГ при k0=l &o.c&6^0,5.
Проведенный анализ и пример показывают, что в замкнутой
схеме автоматического НУ устойчивость в наибольшей мере зависит
от параметров объекта измерения. Для уменьшения переходной со-
ставляющей ошибки и обеспечения устойчивости системы на всех
участках при изменении параметров объекта i(k0, Т0) необходимо
изменять в процессе работы параметры управляющего устройства
так, чтобы общие динамические параметры системы (коэффициент
преобразования, .демпфирования и собственная частота) оставались
неизменными, т. е. создать беспоисковую самонастраивающуюся
систему.
2-7. НАМАГНИЧИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ
АЛГОРИТМ В = const
Большой диапазон изменения параметров образцов при снятии
характеристики В (Н) на различных ее участках приводит к рез-
кому изменению параметров замкнутого контура системы в основ-
ном за счет нелинейности объекта, а это неблагоприятно влияет на
динамические показатели ее работы. Поэтому получить требуемые
динамические показатели работы можно лишь на базе беспоиско-
вых самонастраивающихся замкнутых систем управления. Такие
системы способны при правильном выборе структуры и элементов
обеспечить необходимые динамические свойства. На модели иссле-
довались различные структуры таких систем. В качестве управляю-
щего устройства (УУ) в моделях использовались безынерционный и
инерционный интеграторы. Объект управления (ОУ) моделировался
обычными схемами (рис. 2-17,а, б). Контур самонастройки включал
в себя усилитель мощности, мостовую выпрямительную схему, одна
диагональ которой включалась на выход усилителя мощности, а ко
второй диагонали подключались светодиоды. Регулируемым пара-
метром в УУ были фоторезисторы, включаемые во входную цепь
интегратора.
Результаты исследования на модели показали, что можно со-
ставить несколько вариантов систем, которые позволяют получить
фазовые траектории, близкие к прямым линиям (рис. 2-2, кривая 1).
Простейшие из них представлены на рис. 2-18.
50

Схема рис. 2-18,а описывается системой уравнений
T0B + B = k0H;
Н (0 = К*г (0 j иш (О Л,
(2-59)
где uB(t)=u3(t)—k0.cB.
В установившемся режиме величина £(/) будет определяться
из соотношения
■60)
Уравнения (2-59), (2-60) показывают, что хотя B(t) и зависит
от параметров испытуемого образца, но эта связь незначительна,
а техническая реализация схемы проста.
В ft)
Рис. 2-17. Схема моделирования намагничивающего устройства (а)
и характеристика нелинейного элемента НЭ модели (о).
НСН
Н
V
р
Т0р+1
б)
КоР
Рис. 2-18. Варианты структурных схем намагничивающего устройства.
а — схема с нелинейным звеном; б — схема с умножителем. %
4* 51

Более сложный алгоритм управления можно осуществить по
схеме рис. 2-18,6. САУ с такой структурой описывается системой
уравнений вида
Т0Ё + В = к0Н;
t
(2-61)
Из уравнения (2-61) видно, что B(t) не будет зависеть от изме-
нения параметров исследуемого образца, однако техническая реали-
зация рассматриваемой структуры требует значительного усложне-
ния управляющего устройства и поэтому данный алгоритм управ-
Uzrt)
Uc(t)
ВКСН
7~
ueft)
УУ
LLyit)
И
Jf6(t)
ОУ
Bc(t){
unR
ОС
uk(t)
Рис. 2-19. Схема самонастраивающегося намагничивающего устройст-
ва (установка АРСПГ-4).
ления может быть рекомендован в тех намагничивающих системах,
где требуются более высокие быстродействие и точность воспроизве-
дения.
Структурная схема реализованного намагничивающего устрой-
ства в установке АРСПГ-4 |(гл. 6) изображена на рис. 2-19, где
УУ— управляющее устройство; Я— исполнительное устройство ос-
новного контура системы; ОУ — испытуемый образец; ИПВ — изме-
рительный преобразователь индукции; ОС — обратная связь;
БКСН — блок контура самонастройки; 2i, 2ц — сумматоры.
Принципиальная схема намагничивающего устройства представ-
лена на рис. 2-20. Намагничивающее устройство состоит из четырех
отдельных функциональных частей: электромагнита — ЭМ с образ-
цом ОУ и установленными на нем преобразователями поля МП в
и ИПН\ электромашинного усилителя — ЭМУ] узла управления
установкой, смонтированного,в одной стойке с измерительными ка-
налами и источником питания, и выносного узла с реле включения
электромагнита (на рис. 2-20 не показан). Управляющее устройство
содержит аппаратуру включения установки, устройство основ-
ного контура системы и контура самонастройки (БКСН), узел
для автоматической записи кривой В (Я), узел измерения маг-
нитной энергии и узел проверки измерительной части. Измеритель-
ные усилители ЯУ и интеграторы Ив и Ян выполнены на элек-
тронных лампах и фотоэлектрических преобразователях типа
Ф117/11.
52

53

Структурная слема установки, где измерительные узлы и намаг-
ничивающее устройство выполнены с использованием полупровод-
никовых приборов и интегральных микросхем, представлена на
рис. 2-21 (установка МИС-1 МЭИ). Здесь приняты следующие обо-
значения: У1 — усилитель-сумматор; У2 — усилитель-интегратор;
УЗ — усилитель мощности; У4 — усилитель напряжения измеритель-
ного преобразователя индукции; У5 — усилитель выходного напря-
жения преобразователя Холла.
ц Ut)\
БЯР
6РП
гЧ^Ь
I I 1 ,
*0.С
I
У2
UM(t)
УЗ
ЭМУ
(Л
J—
эм
УЧ
\ДРП
У5
"в
<f>
Рис. 2-21. Схема установки МИС-1 МЭИ.
Сумматор основного контура У1 выполнен на базе операцион-
ного усилителя типа У-9. Для подбора необходимых качественных
характеристик системы его входные резисторы выполнены перемен-
ными.
Решающий усилитель У2 выполнен на базе операционного уси-
лителя того же типа, работающего в режиме интегратора. В качест-
ве входного резистора использован фоторезистор (НЭ), изменение
освещенности которого меняет в широком диапазоне постоянную
времени интегрирования Ти=ЛфС, чем и достигается необходимая
подстройка параметров системы при изменении параметров образца
в процессе воспроизведения СПГ.
Для согласования выходного сопротивления обмоток управле-
ния ЭМУ служит полупроводниковый двухтактный усилитель мощ-
ности УЗ.
Множительное устройство (X), используемое в системе для реа-
лизации алгоритма (2-14), выполнено на операционном усилителе
того же типа, что и усилители У1 и У2, но с управляемым входным
сопротивлением. В этом случае напряжение на его выходе будет
определяться уравнением
54
"в ы х ("О =Mbx4.(0«bx2(0.
(2-62)

ГДё Unbix(t)—выходное напряжение усилителя, являющееся напря-
жением управления иу для фотопреобразователя интегратора;
Usxi(t)—входное напряжение усилителя, поступающее с усилив
теля У7, пропорционально H(t)\ ubXz{t)—напряжение, поступаю-
щее на фотопреобразователь множительного устройства u&(t).
Функциональное назначение блока реверса поля (БРП) и блока
автоматического размагничивания образца (БАР) состоит в задании
режима циклического перемагничивания материала (предельная
R2
0 о
^ реберс ^
U+
кт
У2
УЗ
cl КБЛР
I I
Вкл. НУ
Рис. 2-22. Функциональная схема блока реверса поля (БРП).
От 6РП
НУ
"л
п1\ РазмагничиВа
пие
а)
Рис. 2-23. Узел автоматического размагничивания.
а — структурная схема; б — график изменения напряжения накопителя-усили-
теля (ЕУ); Гц п — время цикла перемагничивания.
петля гистерезиса, ч~астные петли, величина скорости изменения В,
автоматическое размагничивание образца).
Узел БРП ((рис. 2-22) осуществляет автоматический и ручной
реверс внешнего поля. Его составными частями являются: линейный
усилитель У1, пороговое устройство • У2, усилитель напряжения УЗ.
Узел БАР (рис. 2-23) позволяет осуществить автоматический
перевод режима перемагничивания образца с предельного гистере-
зисного цикла на частный с последовательным уменьшением ампли-
туды. Узел БАР состоит из формирователя Ф, накопителя-усили-
теля НУ, фотопреобразователя ФП.
Формирователь представляет собой одновибратор, собранный
на транзисторах. Входным сигналом формирователя является пере-
пад уровней выходного напряжения порогового устройства блока
БРП. Сформированный импульс с выхода формирователя поступает
55

на Накопительный конденсатор, напряжение на котором усйлйЁае!*-
ся до ил и передается на осветитель фотопреобразователя. Харак-
тер изменения напряжения на выходе накопителя-усилителя un(t)
приведен на графике рис. 2-23,6.
2-8. НАМАГНИЧИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ С ПОСТОЯННОЙ
ПОГРЕШНОСТЬЮ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Системы, в которых обеспечивается условие 9B(/)=const, бу-
дут иметь наименьшее время воспроизведения кривой В(Н), при
заданном значении ошибки воспроизведения. В простейших систе-
мах (разомкнутых и замкнутых) осуществить алгоритмы управле-
ния, которые обеспечивали бы выполнение этого условия, невоз-
можно, поэтому необходимо рассматривать САУ более сложных
структур с нелинейными законами управления, переменной структу-
рой и др.
А. Намагничивающие системы с нелинейными законами управления
Для намагничивающих систем с нелинейными законами управ-
ления можно подобрать такой закон управления в цепи главной
отрицательной обратной связи, при котором будет выполняться ука-
Рис. 2-24. Схема намагничивающего устройства с нелинейной отри-
цательной обратной связью (а) и построенного по принципу само-
настройки (б).
занное условие (2-14). Структурная схема такой системы приведена
на рис. 2-24,а. Полученное для нее установившееся значение по-
грешности воспроизведения
вусг " pUS Р RP2 РоР + 1) (*8оМь.с + 1) ^ Я*о.с {2'Ь6)
56

показывает, что Овуст практически не зависит от параметров образ
ца, если £2о&и<&о.с>'1. Точное соотношение можно получить, вводя
второй интегратор в УУ при той же передаточной функции цепи ОС
W0.c(p) = k0.c{B(p)}>/H(p)
или вводя дополнительную положительную обратную связь по коор-
динате Н(р). В том случае, если в реальных объектах зависимость
бвуст от к0 окажется более сложной, чем дает рассматриваемая
модель объекта, то ее можно осуществить соответствующим подбо-
ром нелинейной зависимости в цепи обратной связи.
Решение поставленной задачи возможно с использованием прин-
ципа адаптации, т. е. подстройки параметров УУ так, чтобы показа-
тель качества работы системы изменялся по заданному закону,
при этом 6B(0=const. На рис. 2-24,6 представлена одна из воз-
можных схем, которая описывается системой уравнений
T0B+B = k0H;
В В2
Н = kaUmU3Q — kakOtCUH0B +_knkKU30 -j- — kJz0CkK -г- —
'/7 ri
-hh-jf + KB + KH.
Если в (2-64) выполнить соотношения
&з=1, &2=&4; kik=kako.cU30t
то оператор внешнего поля будет иметь вид:
UHOU30
(2-64)
Н(р).
(2-65)
(2-66)
который и дает постоянство погрешности воспроизведения в уста-
новившемся режиме:
и£уст:
(2-67)
Однако соотношения (2-J35) в реальных устройствах будут вы-
полняться с определенной степенью точности, поэтому равенство
(2-67) будет приближенным. Приведенный алгоритм довольно сло-
жен в технической реализации и его можно рекомендовать только
для высокоточных и быстродействующих систем.
Б. Намагничивающие системы с переменной структурой
Рассмотренные выше структурные схемы намагничивающих
систем и алгоритмы управления к ним основывались на математи-
ческой модели объекта-образца при условии сравнительно неболь-
ших значений k0. Однако для некоторых типов ФММ значение k0
при £<£г может достигать бесконечности, а при £>БГ процесс
перемагничивания в основном заканчивается и зависимость В (Н)
стягивается в линию. Поэтому для прохождения безгистерезис-
ных участков зависимости В (Н) внешнее магнитное поле нужно
изменять практически мгновенно с тем, чтобы как можно быстрее
пройти эти участки и тем самым уменьшить общее время снятия
кривой В(Н). Последнее можно осуществить в системах с перемен-
ной структурой.
57

Такая система автоматического НУ была разработана для испы-
тания образцов из МММ [16, 37]; в ней использованы достоинства
как программных САУ при перемагничивании по безгистерезисным
участкам петли гистерезиса,, так и самонастраивающихся замкну-
тых САУ при перемагничивании по участкам, соответствующим мак-
симальным значениям k0.
В указанной системе в качестве задающего устройства, обеспе-
чивающего необходимую форму кривой намагничивающего тока,
использован феррорезонансный элемент |(ФЭ). Его работа основана
на переходном процессе, возникающем в ФЭ, управляемом напря-
жением обратной связи, пропорциональным В. Принципиальная
схема феррорезонансного элемента показана на рис. 2-25, где рези-
сторы г представляют потери в нелинейных индуктивностях.
Известно [37], что в такой цепи в определенной области зна-
чений параметров С, L и ип наблюдается триггерный эффект при
а) б)
Рис. 2-25. Пpинц,ипиaльнaяv схема и вольт-амперная характеристика
феррорезонансного элемента.
а — конденсатора (/)'и нелинейной индуктивности (2, 3): б — их суммарные
характеристики.
изменении любого из указанных параметров Кроме того, если не-
линейную индуктивность подмагничивать постоянным током, то
триггерный эффект возможен также при изменении подмагничиваю-
щего тока.
На рис. 2-25,а приведены вольт-амперные характеристики кон-
денсатора (/) и нелинейной индуктивности с подмагничиванием
(2, 3), а на рис. 2-25,6 приведена их суммарная характеристика.
Особенность работы феррорезонансной цепи в режиме, указанном
на рис. 2-25, состоит з том, что скачок тока происходит без опроки-
дывания фазы.
Экспериментальные исследования переходного процесса пере-
броса феррорезонансной цепи из одного устойчивого состояния
в другое [16, 37] показали, что его длительность зависит не только
от тока подмагничивания, но и от наличия замкнутого контура для
58

постоянного тока. Замкнутым контуром может служить либо цепь
подмагничивания, либо цепь параллельно включенных нелинейных
индуктивностей. В работах [16, 37] показано, что в замкнутом кон-
туре во время переходного процесса возникает ток, называемый
«квазипостоянным». Действие квазипостоянного тока аналогично
действию тока подмагничивания. Поэтому, если в феррорезонансной
цепи по какой-либо причине начался переходный процесс переброса
иа состояния малого тока в состояние большого тока, то возникаю-
щий при этом квазипостоянный ток изменит режим феррорезонанс-
ной цепи так, что вольт-амперная характеристика 2 деформируется
в 3 и переходный процесс прекращается (кривая 1-\-3, рис. 2-25,6).
При этом начнет уменьшаться квазипостоянный ток, что приведет
к возобновлению переходного процесса.
'Схема намагничивающего устройства представлена на рис. 2-26.
Она" состоит из двух конденсаторов 3 и 4, источника синусоидаль-
^=П 11
'„ [Д_г-1Д_
*-и~^'|лт!и
Ьц t5 tg t?
a)
4 T
~Г ■
t
1 t, tl3
U,5 4,7
6)
to
[К-
1
v 0
4,9
Рис. 2-26. Принципиальная схема намагничивающего устройства и
построение выходной характеристики намагничивающего устройства
с феррорезонансным элементом.
59

ного тока 5, выпрямителя 6, резисторов 7 и 8, усилителя 9, цепи
управления коммутирующим элементом 10, источника постоянного
тока //, сравнивающего устройства 12, инвертирующего элемента 13,
коммутирующего элемента 14. Нелинейная индуктивность представ-
ляет собой кольцевой сердечник с тремя обмотками: резонансной
дор,. управления wY и подмагничивающей wn. Резонансные обмот-
ки |ДОР, соединенные согласно-параллельно и последовательно с кон-
денсатором 3, образуют феррорезонансный элемент (ФЭ), который
питается от источника синусоидального тока 5.
Выходное напряжение ФЭ, снимаемое с резонансных обмоток
wp, через выпрямитель 6 подается на разрядный ^С-контур (обра-
зованный резистором 7 и конденсатором 4) и на вход усилителя 9.
К выходу усилителя 9 подсоединена цепь управления коммутирую-
щим элементом 10, а через компенсирующий источник постоянного
тока 11 подключены сравнивающее устройство (СУ) 12 и инверти-
рующий элемент 13, управляемый сравнивающим устройством.
Коммутирующий элемент 14 соединен последовательно с переменным
резистором 8 и управляющими обмотками wv, соединенными между
собой согласно-последовательно.
Лодмагничивающие обмотки wlu соединенные встречно-после-
довательно, подключены к регулируемому источнику смещения по-
стоянного ' тока. Выходное напряжение ивых, пропорциональное-
оптимальному намагничивающему току, снимается с инвертирую-
щего элемента 13.
Работа схемы происходит следующим образом: при определен-
ном токе подмагничивания /п и определенном значении напряжения
источника 5 возможны два устойчивых состояния ФЭ, соответст-
вующие напряжениям Uo и U2, показанным на рис. 2-26,а. При
разомкнутой цепи управления нелинейными индуктивностями ФЭ
в установившемся режиме будет находиться в состоянии, соответст-
вующем- г£/2. При замыкании цепи управления нелинейными индук-
тивностями происходит переброс из состояния V2 в состояние U0,
минуя состояние Ui.
При размыкании цепи управления нелинейных индуктивностей
начнется процесс перехода ФЭ из состояния Uo в состояние Uu
причем при определенном токе подмагничивания 1П состояние Ui
будет неустойчивым и переходный процесс будет идти до состоя-
ния U2 по кривой, лежащей в интервале времени fa—h на рис. 2-26,а.
Время переброса из U0 в U2 зависит от тока подмагничивания и
может регулироваться в широких пределах.
Выходное напряжение ФЭ U через выпрямитель 6 подается на
разрядный ^Сгконтур для формирования и регулирования заднего
фронта кривой напряжения необходимой формы. При перебросе ФЭ
из Uz в Uо напряжение на входе усилителя 9 будет определяться
разрядом конденсатора 4 на резистор 7.
Если напряжение цепи управления коммутирующим элемен-
том 10 выбрано таким, что коммутирующий элемент 14 замыкает
цепь управления при напряжении U' (рис. 2-26,6) на выходе усили-
теля, равном или несколько меньшем U'2, и размыкает цепь управ-
ления при напряжении, равном или несколько большем U\, то вы-
ходное напряжение усилителя будет иметь форму, показанную на
рис. 2-26,6.
Компенсирующий, источник постоянного тока 11 включается
встречно выходному напряжению усилителя и компенсирует состав-
ляющую напряжения U'o так, что на входах сравнивающего уст-
60

ройства 12 и инвертирующего элемента 13 получается однополярное
периодическое напряжение, достигающее в моменты времени U, t3,
te, U и т. д. нулевого значения, в которые СУ воздействует на инвер-
тирующий элемент. На выходе инвертирующего элемента получается
напряжение иВых(0 необходимой формы, показанное на рис. 2-26,6.
Форма кривой напряжения uBbix(t) при введении корректирующей
обратной связи с достаточной точностью будет соответствовать, на-
пример, закону £=const.
Следует отметить, что сигнал цепи корректирующей обратной
связи, создавая м. д. с, «согласную с м. д. с. подмагничивания,
может не только увеличивать длительность переброса ФЭ, но и
уменьшать его выходное напряжение, т. е. осуществлять регулиро-
вание огибающей выходного напряжения в режиме duBbix/dt<0.
Такое регулирование выходного напряжения необходимо в случае,
если гистерезисный цикл образца- имеет участки с отрицательной [Хд-
В интервале выходного напряжения, соответствующего без-
гистерезисным участкам цикла и определяемого условием
Ut<UBblx<QU2y
сигнал обратной связи мал и скорость переходного процесса при
перебросе ФЭ определяется преимущественно током подмагничива-
ния /п, т. е. на указанном участке регулирования выходного напря-
жения осуществляется по заданной программе.
Технические данные действующего макета установки, выполнен-
ной с использованием НУ по схеме рис. 2-26, приведены в гл. 6.
Глава третья
АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОГРЕШНОСТЕЙ
Магнитоизмерительные автоматические системы, построенные на
использовании метода непрерывного медленно изменяющегося внеш-
него поля, наряду с высокой производительностью процесса испы-
таний должны обеспечить достаточно высокую точность измерений.
В связи с этим анализ источников погрешностей, способов их сни-
жения, параметров и режимов работы преобразовательных каналов,
а также разработка метода градуировки, поверки и аттестации
измерительного устройства являются первоочередной задачей.
Выходной информацией измерительной системы, является функ-
циональная зависимость В(Н) или /(Я), а измерительные каналы
фиксируют зависимости B(t) и H(t). Математическая неопределен-
ность зависимостей В (Н) ферромагнитного материала не позволяет
дать точную количественную оценку погрешности определения точек
кривой В (Н) по известным погрешностям измерения В и И. При
этом следует иметь в виду, что на погрешность определения точек
кривой В(Н) кроме амплитудной погрешности каналов будет влиять
еще и фазовый сдвиг между сигналами. Учитывая сказанное, а так-
же особенности структурного построения измерительных каналов,
произведем анализ погрешностей отдельно по каждому каналу, рас-
сматривая их статическую и динамическую характеристики.
В то же время обеспечение требуемых метрологических показа-
телей измерительных каналов (погрешностей, чувствительности,
быстродействия) можно осуществить только в результате анализа
источников и характера погрешностей метода испытаний.
61

Как известно, погрешности измерения подразделяются на систе-
матические, случайные и промахи. Систематические погрешности
в силу своей закономерности могут быть исключены либо при гра-
дуировке измерительных устройств, либо в процессе обработки
результатов измерения. Грубые погрешности, приводящие к непра-
вильным результатам измерения, выявляются повторными измере-
ниями на другом измерительном устройстве или повторной градуи-
ровкой данного прибора.
•Практически полного исключения систематических погрешно-
стей добиться нельзя, а теоретически их уровень может быть сведен
до уровня случайных, свойственных устройству в данных условиях
эксплуатации. Введение поправки на систематическую погрешность
возможно только при заранее известных значениях дестабилизирую-
щих факторов. Часть погрешностей, например дрейф нуля, инерцион-
ное действие вихревых токов, нестабильность коэффициента преоб-
разования и др., учитываются как случайные в силу характера
вызывающих их факторов.
Единственным способом выделения систематической составляю-
щей погрешности сложной измерительной аппаратуры является ме-
тод статистических испытаний, т. е. многократная проверка аппара-
туры по образцовой мере. Однако этот способ нельзя применить
для оценки погрешности регистрации СПГ магнитоизмерительной
системой, построенной на использовании метода медленно изменяю-
щегося поля, так как образцовой меры более высокого разряда*
в настоящее время метрологические организации не имеют.
Результирующая погрешность измерения В и Н определяется
частными погрешностями метода, узлов измерительных каналов,
а также функциональными связями измеряемых параметров. Эта
погрешность складывается из большого числа отдельных составляю-
щих, каждая из которых определяется расчетным или эксперимен-
тальным путем, а суммирование производится по определенным
правилам [38, 39].
К основным составляющим результирующей погрешности изме-
рения относятся:
методическая погрешность бм, вызванная динамикой перемаг-
ничивания, неоднородностью поля, размагничивающим действием
объекта и другими факторами;
инструментальная погрешность бИн измерительного канала,
включающая нейсключенные систематические погрешности и слу-
чайные погрешности, вызванные дрейфом и нестабильностью харак-
теристик узлов измерительного устройства.
Кроме того, на погрешность измерений В и Н могут существен-
но- повлиять пульсации внешнего поля.
Целью анализа источников погрешностей является оптималь-
ный выбор средств измерения, конструктивных, структурных и
принципиальных схем узлов измерительного устройства и их взаи-
мосвязей. ОПри этом следует учитывать, что в рассматриваемых
магнитоизмерительных системах искомые значения магнитных пара-
метров (индукции, напряженности поля) определяются по шкале,
предварительно проградуированной в единицах измеряемых пара-
метров. А назначение их различно: от использования для конт-роля
параметров в процессе производства до выполнения исследований
ферромагнитных материалов.
Поэтому в зависимости от назначения проектируемой измери-
тельной аппаратуры разработчик должен располагать информацией
62

о способах улучшения точностных показателей и их связи с эконо-
мическими и эксплуатационными показателями устройства.
Отличительной особенностью измерений в условиях квазистати-
ческого перемагничивания ферромагнитных материалов является
измерение медленно изменяющихся во времени сигналов малого
уровня. Измерение и преобразование таких сигналов с малой по-
грешностью, особенно при -использовании первичных преобразовате-
лей индукционного типа, связано с рядом трудностей, обусловленных
необходимостью тщательной их установки на образец и использо-
ванием измерительных усилителей постоянного тока и интеграторов
со значительным временем интегрирования.
3-1. МЕТОДИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ
Методическая погрешность бм измерения магнитных парамет-
ров Я и Б в основном состоит из двух составляющих: погрешно-
сти бд, вызванной экранирующим действием вихревых токов в на-
ружных слоях образцов ФММ и магнитной вязкостью при цикли-
ческом перемагничивании, и погрешности 6Ип, вызванной искажением
поля в рабочем объеме расположения образца вследствие выпучи-
вания поля, инерционного действия вихревых токов в полюсах элек-
тромагнита, нарушения замкнутости магнитной цепи из-за техноло-
гического зазора м^жду образцом и полюсами.
Указанные явления вызывают неоднородное намагничивание
объекта как по длине, так и по сечению. Поэтому даже при идеаль-
ном расположении измерительных преобразователей информация
'о статических характеристиках материала из-за инерционного дей-
ствия вихревых токов и магнитной вязкости будет отличаться по В
в сторону занижения, а по Я в сторону завышения. Абсолютное
значение этой составляющей погрешности будет зависеть в основ-
ном от скорости изменения индукции, электропроводности, магнит-
ной проницаемости материала и геометрических размеров образца.
В реальных условиях скорость изменения индукции в течение
цикла перемагничивания будет различна. Трудно учесть и реакцию
объектов на воздействие внешнего поля вследствие их отличия по
размерам, электросопротивлению и зависимости В(Н). /Погрешности,
вызванные перечисленными явлениями, учесть в конечном резуль-
тате практически невозможно. 'Поэтому целесообразно, предвари-
тельно определив характер зависимости этих погрешностей, путем
конструктивных решений и выбора режима перемагничивания све-
сти их к минимуму.
Учитывая универсальность разрабатываемой аппаратуры, для
анализа необходимо выбрать объект .(образец) из такого материа-
ла, для которого методическая погрешность будет максимальной.
Такими объектами являются, например, образцы из литых сплавов,
имеющие относительно малые сопротивления и коэрцитивную силу.
Для этих материалов в силу значительного превышения экрани-
рующего действия вихревых токов над проявлением динамической
составляющей магнитной вязкости при анализе погрешности послед-
нее явление можно исключить.
Из рассмотренных в гл. 2 видов погрешностей для анализа
целесообразно использовать погрешность по напряженности поля 0н,
так как при регистрации ОПГ образцов, особенно с прямоугольной
СПГ, ее оценить достаточно просто.
63

А. Погрешность, вызванная экранирующим действием
вихревых токов
Для материалов, статическая петля гистерезиса которых близка
к прямоугольной, анализ погрешности 6Д можно вести по форму-
лам, полученным в гл. 1, вывод которых основан на том, что при
значениях напряженности намагничивающего поля, меньших напря-
женности поля трогания (Ят), намагниченность материала не из-
меняется. При Я>ЯТ изменяется индукция В(ЛЯ>0) на 2В3
(если ранее было —Bs), но первыми леремагничиваются внешние
а) о)
Рис. 3-1. Проникновение поля внутрь образца прямоугольного се-
чения.
а — зависимость составляющей бд методической погрешности для образцов
МТМ квадратного сечения; б — зависимость составляющей бд методической
погрешности для пластины МММ.
слои. Возникающие же вихревые токи будут препятствовать про-
никновению поля внутрь образца. Следовательно, насыщение вну-
треннего слоя, т. е. намагничивание до -\-В8, произойдет через опре-
деленный интервал времени и тем быстрее, чем больше АЯ или
6д=Д#/#С
В результате проведенного в гл. 1 анализа установлено, что
для образцов цилиндрической формы и пластин при 5=const вели-
чина о*д может быть определена по формуле, полученной из (1-10)
при бдЯс=сопз1:
где а — радиус цилиндра, или половина толщины пластины.
Так как время перемагничивания образца r=2£s/£, то выра-
жение (3-1) можно представить в виде
В. (3-2)
о<2'
н
с
Анализ составляющей методической погрешности бд при испы-
тании образцов прямоугольного сечения (рис. 3-1) с непрямоуголь-
64

ной петлей гистерезиса в квазистатическом режиме проводится
с учетом результатов решения нелинейной задачи на цифровой ЭВМ.
Полагая, что Я имеет только Z-ю составляющую, уравнение ди-
намики можно представить в виде
Нас интересует распределение Я по' координатам х и у в опре-
деленный момент времени и отличие от значения Яп на поверхности.
Предполагая, что внешнее поле является некоторой функцией вре-
мени Яп=ф(0 и принимая дВ/дН не зависящей от координаты
глубины проникновения поля, после преобразований уравнение (3-3)
можно представить в виде
д*Н , д2Я дН
где k=dBn/dt'—скорость изменения индукции в поверхностном
слое.
Начальные и граничные, условия
при Яп = 0 и |х|<а, \у\л< b Я = 0; \
при Яп>0 и \х\ = ±а, М = +Ь H~HUi J
где 2а и 2Ь — стороны сечения образца.
Собственные функции и собственные значения задачи находятся
.при однородных краевых условиях. Поэтому решение задачи будем
искать в виде
Я-V+tfn.
После соответствующих преобразований (3-4) получим:
d2V d2V dV
+ ~W~ = ak ~ЩГ + °k (3'6)
с однородными граничными и начальными условиями
V]x=±a = 0; ViB=±b = 0; V,„n=0 = 0. (3-7)
Решение (3-6) представим в виде ряда
оо
S2n + 1 2/72+1
Тт,п (Ип) cos Ja tzx cos ку, (3-8)
т, /2=0
который удовлетворяет граничным условиям (3-7).
Разложим неоднородную часть уравнения в ряд по собственным
функциям задачи:
со
S2n + 1 2т + 1
Вт>п cos —— кх cos 2b 7zy' ( '
гце
т, п=0
а Ъ
4 Г Г* 2п + 1 2/П+1
mn==~ab \ \ akcos~—2а—KXC0S—2Ь—КУ"Х"У =
о о
16с&
= М)"*» ,2(2д+1)(2т+1) ' (3-10>
б—841 6J5

Подставляя (3-8) и (3-9) в (3-6) и приравнивая коэффициенты,
после преобразований получаем:
(2т+!)»■»' (2п+ 1)г ^
4<22Ь2 4<2262 m,/l ~~ т,я-г
16а&(—1)т+я
+ и2(2/г + 1) (2т + 1) ' (3'П)
Приведем (3-11) к виду
Т'т.п+Тт,п [(2т + I)2 Ъ* + (2/1 + 1)2а2]
16с£ (— 1)т+л
я2 (2/i + 1) (2т + 1) *
(3-12)
Подчиняя ряд (3-8) начальным условиям (3-7), получаем на-
чальные условия для функции Тт> п (Яп):
Гда, „(0)=0. (3-13)
Решением задач (3-12) и (3-13) будет функция
(_ 1)т+л 64с&22 (1 — e~Am>nPit)
im,n = г —2 г-, (3-14)
(2я + 1) (2т + 1) I (2я + I)2 -р- + (2т + 1)2J
где
/т>п = таг f(2/l +1)2 If+(2т +1) 2] •
Решение исходной задачи с учетом (3-5) имеет виц:
00
64а£а2
я = яп—2J (-Vm+nX
т, м=0
2л + 1 2m + 1
«я—ъГ **<**—W~ny * н
X 2 г (1 + £ п).
(2m + 1) (2я + 1) [(2n+ 1)2-^+ (2т+ I)2]
(3-15а)
2оЬ262
При Ни !> ' а2 _|_ ^2 ввиду малости последующих членов можно
ограничиться первым членом ряда (т=/г==0); выражение (3-15а)
в этом случае может быть записано в виде
, 0,64а&г2 tzx ку
Я==Яп- ^-C0S-2S"C0S"^F- (3"156)
1 + Ь2
По полученному выражению достаточно просто оценить по-
грешность, обусловленную динамикой перемагничивания. Для этой
цели необходимо проинтегрировать по сечению образца выражение
66

(3-156). Так, для квадратного сечения образца (а=Ь) получим:
Я=Яп—0,13а£а2=#„—GH. (3-16а)
Полагая крутизну зависимости В (Н) по сечению образца неиз-
менной, выражение для определения среднего значения индукции
можно записать в виде
Вср=Яп—!лУ=£п—Вв. (3-166)
Составляющая методической погрешности будет равна:
по напряженности поля
0,13аа2
по индукции
В (3-17а)
дяв=^в;—С3"176)
Для пластины (Ь—>-оо) уравнение динамики будет иметь вид
д2Н/дх2=оВ, решение которого приведенным методом дает:
Н = Нп — 0,51а&г2 cos ~2^~>
и после интегрирования получим:
Яср=Яп—0,ЗЗаЫ2. (3-18)
Результаты расчета погрешностей по формуле (3-17) для об-
разца МТМ квадратного сечения и по формуле (3-18) для пластины
МММ приведены соответственно на графиках рис. 3-1,а, б.
Так как магнитная проницаемость материала \i заранее неиз-
вестна, то составляющая 6дв методической погрешности, являясь
систематической, трудноучитываема. Поэтому при создании намаг-
ничивающих устройств необходимо стремиться к уменьшению 6дв
за счет уменьшения В и поддержания неизменной 0в в течение цик-
ла перемагничивания до величин, обеспечивающих заданную точность
работы элементов измерительных каналов.
Б. Оценка однородности поля при наличии выпучивания
потока в' рабочем зазоре электромагнита
Оценка однородности магнитного поля в рабочем объеме меж-
полюсного пространства электромагнита даже при ненасыщенных
полюсах является сложной задачей, практически неразрешимой
обычными аналитическими методами [40, 41].
Физическое моделирование хотя и позволяет решить задачу
определения проводимостей, но с относительно низкой точностью,
так как приходится упрощать истинную картину магнитного поля
с тем, чтобы описать ее математическими формулами. Кроме того,
при таких * расчетах получают интегральные оценки о потокораспре-
делении в системе. Нас же интересует топография поля, т. е. рас-
пределение магнитных потенциалов, векторов В и Н, степень неод-
нородности распределения этих векторов в заданном объеме.
5* 67

Данная задача с достаточной степенью точности может быть
решена, если ее рассматривать как краевую задачу для уравнения
Лапласа, используя метод последовательного приближения при оты-
скании граничных условий Дирихле.
Магнитная система электромагнита представлена на рис. 3-2.
В силу симметрии рассматриваем только область Д, ограниченную
плоскостью симметрии NN, осью симметрии Z=Z и поверхностью
магнитной системы ярма и полюса. Так как система симметрична
относительно оси, то можно расчет вести для ее части с централь-
ным углом а.
Известно, что в области, где отсутствуют свободные токи, маг-
нитный потенциал определяется уравнением Лапласа, которое в ци-
линдрической системе координат имеет вид:
1 -дум , д2?м
р ар ~ dp2
= о.
(3-19)
Условие ненасыщенности магнитных полюсов позволяет опреде-
лить граничные условия (значения магнитного потенциала :по гра-
нице, разделяющей магнитопровод и
окружающую среду); по границе Ln
значения фм равны нулю; на грани-
це rkm значение потенциала одина-
ково и равно F/8y где F — намагни-
чивающая сила электромагнита и
б — длина воздушного зазора по оси
системы; на границе ndr линейный
рОСТ фм ОТ нуля ДО фм.макс=/76;
граница mL области характеризуется
равенством нулю тангенциальной со-
ставляющей градиента потенциала,
что следует из условия симметрии
системы.
Таким образом, однозначно по-
ставлена задача Дирихле для уравнения Лапласа в сложной обла-
сти симметричной относительно оси системы.
Решение дифференциального уравнения в частных производных
рассмотрено, например, в работах [42, 43], посвященных решению
задач математической физики.
В данной работе применен метод сеток, наиболее -простой и
достаточно удобный для алгоритмирования и составления программ
расчета на цифровой ЭВМ; в общем случае задача сводится к реше-
нию итерационным методом системы линейных уравнений высокого
порядка, записанной в матричной форме [44]:
Рис. 3-2. Магнитная систе-
ма электромагнита.
АХ=В.
(3-20)
«В качестве примера расчет топографии поля в межполюсном
пространстве электромагнита с диаметром рабочей грани, равной
80 мм, проводился на ЭВМ БЭСМ-4. Полученная картина распре-
деления фм представлена в виде графиков распределения радиаль-
ной и аксиальной составляющих напряженности -магнитного поля.
На рис. 3-3,а представлены кривые изменения напряженности
#z/#o (#о — поле на оси) в функции от радиуса р при трех зна-
чениях воздушного зазора между полюсами.
68

I 1 ■ ' ' I L_ I I I I
0 5 W 15 20 25 30 35 40 45 50 мм
6)
Рис. 3-3. Результаты расчета топографии поля в воздушном зазоре
электромагнита.
а — график зависимости Hz=f{z) для значений 2=0, 5, 10, 15 мм; б—график
зависимости #р=/(р) для значений р—10, 30, 50 мм.
На рис. 3-3,6 представлены те же зависимости, но для различных
значений р и 6=30 мм.
На рис. 3-4,а, б, в представлены зависимости Hz/Ho=f(z) для
различных значений расстояния от оси электромагнита.
Кривые, изображенные на рис. 3-3 и 3-4, подтверждают то поло-
жение, что чем меньше зазор между полюсами магнита, тем равно-
мернее распределено магнитное поле между полюсами в аксиальном
направлении. При малом зазоре (6=10 мм) поле равномерно почти
по всей длине полюса в радиальном направлении и лишь по выходе
за границы полюса (р>40 мм) оно начинает искажаться. По мере
увеличения зазора (6=30 мм, 50 мм) неравномерность распределения
поля начинает проявляться уже на небольшом расстоянии от начала
осей координат.
69

0
12
V
- hi
-сЦо
& = 10 мм |
^^^^P - 30 mm
1,0
ъ000^ ~ n О
0,9
°>8,
р-50мм~
0,1
1
i i i i i
2
- „1. .... 1 I
a)
i—i i i '''I i i i i j i i i
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 мм
6)
Hz
1
' = 50мм
р=40мм
1
1
S/> =30мм
1
y/p ~45мм
- о
l У
+^™р=10мм
*<Cp*o
1
i >
\
i i
/
--50mm°
с
у
9 5
10 15
20 25 30 35
40
45 мм
в)
Рис. 3-4. Графики зависимости Hz~f(z) для различных расстояний
от оси полюсов электромагнита при различных значениях воздушно-
го зазора.
а — 10 мм; б — 30 мм; в — 50 мм.
70

Сравнение данных расчета на цифровой ЭВМ по предложенной
методике [44] с результатами экспериментальных исследований [25,
46] дает хорошее совпадение.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований
топографии поля позволяют выбирать длину и сечение образцов
МТМ при заданных размерах рабочей грани полюса Дп и однород-
ности поля.
Так, принимая неоднородность поля по оси z в 1% на расстоя-
нии 0,5/Об и по оси р—0,6 диаметра цилиндрического образца d06,
из графиков рис. 3-3 и 3-4 получаем:
В. Оценка влияния технологического зазора между образцом
и полюсами электромагнита на однородность поля
в рабочем объеме
Однородность поля в рабочем объеме электромагнита с поме-
щенным в него образцом зависит от технологического зазора, габа-
ритов и свойств материала образца. Для аналитического расчета
распределения поля в подобной системе используются в основном
три метода: метод приведения проводимостей рассеяния к полюсам
(метод Пику), метод ступенчатого интегрирования (метод Эверше-
да), метод объемных фиктивных зарядов (метод Беннето-Сенкеви-
ча). Однако расчет по этим методам затруднителен вследствие не-
обходимости точного определения магнитных проводимостей между
отдельными частями исследуемой системы и отсутствии информации
о магнитном поле. Такой расчет превращается в длительную рабо-
ту, а точность расчета при этом низкая. Применение методов мате-
матического моделирования [45] (моделирование в проводящих
средах, на сетках сопротивления и др.) позволяет получить лучшую
точность, но они сложны, трудоемки и требуют специального обо-
рудования.
Исследование топографии статического поля в системе электро-
магнит — образец связано с известными трудностями решения нели-
нейных интегральных уравнений, описывающих распределение соб-
ственного поля образца в зависимости от намагниченности его ма-
териала:"
при этом J=q>(#o) в области V, 7=0 — в остальном пространстве.
Здесь 7 — намагниченность образца; Но— собственное поле образца;
V—объем магнита; R — расстояние от точки наблюдения до эле-
мента интегрирования dV.
С целью упрощения задачи в некоторых работах [40, 41] при-
нимается равномерное распределение намагниченности по объему
образца и постоянство магнитной проницаемости. Задачи решаются
методом статистических приближений и последующего геометриче-
ского вычитания из полученной общей картины поля равномерного
внешнего поля. Так находится собственное поле образца. При этом
принимается распределение намагниченности после снятия внешнего
поля неизменным. Указанный подход не отражает полностью
процессы намагничивания материала и распределение намагничен-
ности по объему образца в зависимости от типа материала и усло^
Dn>2lo6 и Dn^2do6.
V
1\

вии испытания. Использование цифровой ЭВМ позволяет исключить
недостатки, связанные с трудностями аналитического решения, учесть
многие факторы, снижающие точность решения (реальное распре-
деление намагниченности по объему, нелинейность зависимости
В(Н) и др.).
Рис. 3-5. Зависимости В (Н) цилиндрического образца МТМ в осевом
z и радиальном р направлениях (а); прямоугольная сетка к расчету
топографии поля постоянного магнита (б).
Для исследования картины распределения поля намагниченности
образца в данной работе использован метод, разработанный в МЭИ
[44, 46]. Сущность его состоит в следующем. Как известно, стати-
ческое магнитное поле образца из МТМ во всем пространстве опи-
сывается уравнениями
div В=0; (3-21)
rot Н=0. (3-22)
Связь векторов индукции В, напряженности поля Н и намагни-
ченности J в среде магнитного материала и воздуха определяется
соответственно соотношениями
B=MH-fJ); (3-23)
B=jioH. (3-24)
Экспериментально установлено [31], что эта связь в объеме-
постоянного магнита цилиндрической конфигурации может быть
представлена зависимостями BZ(HZ) и В?(Чр) (рис. 3-5), где Вг>
Hz — осевые составляющие векторов В и Н; Вр1 Н?—радиальные
составляющие В и Н.
Расчет топографии магнитного поля системы с намагниченным
образцом заключается в нахождении распределения В, Н и J во
всем интересующем пространстве, т. е. в решении уравнений
(3-21) — (3-24) с граничными условиями, соответствующими равен-
ству тангенциальных и нормальных составляющих В и Н на по-
верхности раздела образца и воздуха.
•Введение функции потенциала фм и поточной функции \|)м из
условий Н=—grad фм и dt|?M=(B, n°)ds сводит задачу (3-21)—
(3-24) к решению уравнений
У2фм=—divJ; (3-25)
rotB = — [х0 rot J, (3-26)
72

Решение уравнений (3-25) и (3-26) возможно при условии, чтб
div J или rot Н известны в каждой точке пространства. В постав-
Ленной задаче распределение J неизвестно и является предметом
расчета. Расчет можно произвести с помощью цифровой ЭВМ, ис-
пользуя итерационный метод нахождения фм, г|)м, В и Н. Для упро-
щения расчета примем следующие допущения: 1) цилиндрический
образец МТМ рассматриваем в виде совокупности однородно на-
магниченных элементарных объемов (рис. 3-5,6), магнитное состоя-
ние которых определяется характеристиками рис. 3-5,а; 2) площадь
сечения полюсов электромагнита принимаем во много раз большей
площади сечения испытуемого образца; 3) пренебрегаем магнитным
сопротивлением магнитолровода электромагнита и рассматриваем
режим, когда образец намагничен и ток намагничивающей обмотки
электромагнита равен нулю; 4) принимаем в качестве первого при-
ближения, что магнитное состояние образца определяется одной ка-
кой-либо точкой на спинке петли гистерезиса В (Н) и что напря-
женность поля Я, определяемая этой точкой, одинакова для эле-
ментарного объема, а для всего образца справедливо соотношение
(при относительно малом воздушном зазоре)
J=cH, (3-27)
где с — постоянная.
Прог|вима решения состоит в следующем:
1. По соотношению Н=—grad фм рассчитываются значения фм
по граничной поверхности образца.
2. Решением уравнения (3-25) методом сеток при граничном
условии -ф'м/г находится в первом приближении распределение по-
тенциала ф'м в окрестности образца.
3. По соотношениям
В' = ,хвН' = - grad у'м; Фм = Г Bds (3-28)
рассчитывается в первом приближении распределение поточной
функции.
4. Определение распределения ф'м в объеме образца связано
с необходимостью решения уравнения (3-26). Однако с учетом
(3-27) правая часть уравнения (3-26) приравнивается нулю. В этом
случае для цилиндрической системы координат справедливо выра-
жение
-#-Т'Т+^"0' (3"29)
решение которого методом сеток приводит к нахождению распре-
деления поточной функции "фм.
5. После определения г|/м в объеме образца в первом прибли-
жении рассчитываются составляющие векторов индукции в каждом
элементарном объеме по формулам
В*= Офм/ф, Вр = tyjdz. (3-30)
6. По характеристикам рис. 3-5,а определяются значения со-
ставляющих векторов Н и сопоставляются с первоначально выбран-
73

ным значением Н в каждом элементарном объеме. Найденные зна-
чения считаются вторым приближением Очевидно, что распределе-
ние магнитного потенциала в 'среде и воздухе будет совпадать на
граничной поверхности образца, если распределение Н, В, фм, г|?м
истинное, т. е. удовлетворяются уравнения (3-25) — (3-27) с учетом
характеристик рис. 3-5,а.
Если разность <р*м|г и «р^1 |г превышает заданное значение, то
расчет повторяется по описанному алгоритму с п. 2.
Для улучшения сходимости итерационного процесса кривая рас-
пределения магнитного потенциала по граничной поверхности образца
<рм^"! |г (к + 1)-приближения трансформируется с учетом кривой <ркм|г
(к) -приближения.
Ввод исходных данных-.
3(h),размеры исследуемой области
Образование граничных условий
для </>м и решение уравнения
методом сеток
Г
Образование граничных условий
для (f) и расчет паточной
аэункции внутри магнита
методом сеток
Образование новых гранич
ных условий для у>м и
решение уравнения ^2%=0
методом сеток
Нахождение В и определение
Н с учетом зависимости
В(Н) материала
Ум/г "4^%™ совпадают Сравнение у£/Г и tf*1/r
*
?»/г " совпадают
Печать полученных значений
Рис. 3-6. Структурная схема решения задачи расчета топографии маг-
нитного поля.
74

Рис. 3-7. График результатов
расчета распределения магнит-
ного поля образца ЮНДК-24,
помещенного в зазоре электро-
магнита.
Данный алгоритм приме-
нен для расчета топографии
магнитного поля намагничен-
ного образца из ЮНДК-24
длиной 50 мм и диаметром
35 мм, помещенного в элек-
тромагнит. Площадь полюсного
наконечника электромагнита
равна 8-Ю-3 м2, воздушный
зазор —0,2% длины образца.
Структурная схема решения за-
дачи приведена на рис. 3-6.
м Р
15
W
Hz М
2 м
10
0,5г0
0Jr0
0-
0,5го
\ z
50
25
0
25
щ
щ
X
10
о
5
ГО'
'"о
v ^^5=0,2%l
6*=0,5%1
_
r/r0
п2 0,4 0,6 0,8
а)
0 02 Ofi
0,6 0,8 1,0
б)
Рис. 3-8. Графики зависимостей BIBQ=f(r/r0\ и
зывающие влияние технологического зазора на
#/#o=/(r/r0), пока-
однородность поля.
Таблица 3-1
Напряженность,
кА
м
z, мм
0
2,5
5,0
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
24,0
Нг расчет-
ная
Hz экспери-
ментальная
Яр расчет-
со со
о "о 00
00 О СО
СО СО О
3,9
3,5
0,6
4,0
3,5
1,05
4,1
4,0
1,65
4,3
4,5
2,4
5,8
5,0
3,3
6,5
6,0
4,5
8,0
8,0
6,4
10,5
11,0
9,3
16,0
16,0
15,0
ная
7/р экспери-
0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
9,0
16,0
ментальная
75

Результаты расчета распределения составляющих собственного
поля образца приведены на рис. 3-7. Для контроля лроведены изме-
рения В и Я вблизи поверхности образца таких же габаритов, по-
мещенного в зазор электромагнита от установки У-541. Длина за-
зора— 0,1 мм.
Результаты экспериментального определения топографии поля и
расчета на цифровой ЭВМ приведены в табл. 3-Г.
Результаты расчета показывают, что собственное поле намаг-
ниченного образца даже в нейтральном сечении может иметь зна-
чительную неравномерность. Это может послужить причиной по-
грешности при измерении В и Я.
Зависимости Я/Я0 и В/В0 от отношения г/г0 по сечению образ-
ца (го — радиус сечения) при разных /в, приведенные на рис. 3-8,
показывают, как сильно влияют эти параметры на неоднородность
поля уже при /в= (0,2-5-0,5) %/0 б.
3-2. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ОБРАЗЦЕ И НАПРЯЖЕННОСТИ
ВНЕШНЕГО ПОЛЯ
Инструментальная погрешность измерительного устройства скла-
дывается из следующих составляющих: би — погрешности первично-
го измерительного преобразователя В или Я; бк — погрешности,
вносимой измерительной цепью; бР — погрешности, вносимой реги-
стрирующим прибором.
Результирующая инструментальная погрешность определяется
как среднеквадратическая указанных составляющих в силу их слу-
чайного характера и слабой корреляционной связи:
*ин = V)\+ s2K + s2p. (3-31)
Погрешность преобразования магнитной величины в электри-
ческий сигнал измерительным преобразователем индукционного типа
(плоская катушка, жесткий потенциалометр) складывается из сле-
дующих слагаемых:
1. (Погрешности градуировки, которая явно выявлена быть не
может, так как обычно производится градуировка всего канала из-
мерений.
2. Погрешности, вызванной отличием измеренного поля от дей-
ствительного на поверхности образца, вследствие неоднородности
распределения поля.
3. Погрешности, вызванной непараллельностью оси измеритель-
ного преобразователя с направлением намагничивающего поля.
Последняя составляющая погрешности носит случайный харак-
тер, зависит от тщательности установки измерительного преобразо-
вателя поля «Я».
Электродвижущая сила, .наводимая в измерительной катушке
«Я», равна:
ен = — \xcSwH cos а,
где а — угол между направлением вектора Н и осью преобразова-
теля.
76

Составляющая погрешности би при а^=0 будет равна (1—
—cos а) 100%. Обычно а не превышает 4°, поэтому можно принять
би<0,2%.
Погрешность измерительных преобразователей «Я», обусловлен-
ная неоднородностью магнитного поля в объеме, где располагается
преобразователь, определяется на основе результатов исследования
топографии магнитного поля в окрестности образца (§ 3-1).
Суммарная погрешность би, обусловленная неоднородностью
магнитного поля, определяется по выражению [25]
= ) »oSw dt ^ ^_sin-2- + -2 1) ± —J dH9
н
(3-32)
где Ям — амплитуда неоднородной составляющей магнитного поля;
к — коэффициент, учитывающий изменение напряженности поля
в плоскости, перпендикулярной оси образца; hn — высота преобра-
зователя.
Знак «-)-» в (3-32) учитывается при H0(t)<Hcb, а знак «—»
при H0(t)>Hcb.
Наибольшая неоднородность распределения поля имеет место
у торцов образца. На средней части образца неоднородность поля
с достаточной точностью соответствует выражению (3-32).
Подсчитанная по (3-32) погрешность является максимальной и
практически в два раза превосходит действительную, что обуслов-
лено погрешностью аппроксимации закона распределения поля вдоль
образца и принятыми допущениями.
Так, например, при Ям/Ясв=0,5, k=\0~3 1/мм, а=0,5, /in=
=5 мм, би не .превышает 0,2%.
Погрешность преобразования магнитной индукции преобразовав
телем, выполненным в виде измерительной обмотки, наматываемой
в нейтральном сечении образца, или съемной катушки «В», зависит
от погрешности определения постоянной kB—SBwB преобразовате-
ля и погрешности 5S, вызванной различием площадей поперечного
сечения AS измерительного преобразователя SB и образца 50б.
Погрешность определения wBSB измерительного преобразовате-
ля зависит от точности измерения геометрических размеров попереч-
ного сечения и не превышает бг^0,4%, если погрешность измерения
линейных размеров не превышает допустимой 0,2% [42, 48].
Погрешность Ss обусловлена наличием в сигнале преобразовате-
ля «5» паразитной составляющей напряжения, пропорциональной
скорости изменения Я:
ев = — (wBSo6B + wBASp0 И). (3-33)
Второе слагаемое в правой части (3-33) является абсолютной
погрешностью преобразователя. Численное значение ее является
периодической функцией и зависит от H(t)^
Относительная погрешность измерительного преобразователя
определяется выражением
»• (3-34)
т. е. пропорциональна скорости изменения В и Д-и зависит от ртно-
шения SB/So6.
77

Погрешность измерения магнитной индукции 6S является слож-
ной периодической функцией времени и характера зависимости
В(Н) исследуемых ФММ. Величина б5 для любого момента времени
t от начала перемагничивания может быть определена из выра-
жения
U
AS £ Н (t) dt
*s- jr- • (3-35)
So£ j В (t)dt
о
которое не позволяет количественно оценить распределение погреш-
ности по петле гистерезиса, так как закон изменения &(t) и B{t)
определен лишь в общем виде граничными условиями
В*
■■ Даош ^макс ;
и различен для разных ФММ.
Для качественной оценки погрешности б8 подставим в (3-35)
текущие значения
B(t) = ^B (t) dt, И (t) = j* H (t) dt и ds = [xo - j
AS Я(0
об 5(0
и далее, приняв Б = const, получим для В = ВГ1
AS .
(3-36)
Из анализа выражения (3-36) видно, что максимальное значе-
ние 6S имеет место при насыщении образца (Я=ЯМ), если Я изме-
нялось от 0 до Ям, и при #=0 (в точке Вг), если Я изменялось
от Ям до 0, а минимальное значение (6S=^0) в точке BTi если Я
изменялось от 0 до Ям и обратно до 0. Погрешность определения
$пр/$об
5
б)
. в
f &S=2So6
Н
в)
Рис, 3-9. Влияние AS на результаты измерения Яс и №Макс (а, б) и
на форму измеряемой петли гистерезиса (в).
78

Нов также будет близка к нулю, если она была равна 0 в точке
Вг, так как при перемагничивании на спинке СПГ (вблизи Ясв)
|ЯоЯ<СВ. Численное значение 6S в значительной степени зависит от
AS /Зоб и абсолютных значений Вг и Ясв.
На рис. 3-9,а, б приведены графики, иллюстрирующие влияние
AS на погрешность записи статических магнитных характеристик
МТМ. Кривая 1 относится к образцу из ЮНДК-24, а кривая 2—
к образцу из ЮНДК-42Т8. Величины Я0Св и Wo получены при ис-
пользовании преобразователя «В» с AS^O. Графики, приведенные
на рис. 3-9,в, показывают, как деформируется СПГ образца из
ЮНДК-24 при AS = 2S06. При AS^3%S06 на размагничивающем
участке («спинка» СПГ) погрешность 6S очень мала и только при
Я=ЯМакс, т. е. на «усах» СПГ, практически не несущих информа-
цию о свойствах ФММ, она достигает 1,5—2%. В случае применения
съемного датчика «В» погрешность 6S будет значительна. Для ее
компенсации необходимо вводить дополцительную измерительную
катушку поля, включенную последовательно-встречно с измеритель-
ной обмоткой «£» (см. гл. 5).
3-3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
КАНАЛОВ «В» И «Я»
Погрешности, вносимые измерительным усилителем и интегра-.
тором, должны быть рассмотрены исходя из условий работы их
в статическом и динамическом режимах. Измерительный усилитель
медленно изменяющихся сигналов, поступающих от индукционного
преобразователя поля, усиливает напряжения в диапазоне- от 0 до
нескольких сотен микровольт. Такие усилители выполняются по схе-
мам прямого усиления или с преобразованием входного сигнала.
Статические погрешности усилителя вызваны прежде всего дрейфом
нулевого уровня, нестабильностью коэффициента преобразования,
нелинейностью амплитудных характеристик.
Одной из основных причин погрешностей в статическом режиме
является дрейф нуля, который у усилителей прямого усиления мо-
жет достигать десятков и сотен микровольт. Поэтому для усиления
сигналов малого уровня в основном применяются усилители по-
стоянного тока с преобразователем. Наиболее часто применяются
усилители, построенные по схеме модуляция — усиление — демодуля-
ция (МДМ), и гальвано метрические усилители.
Применение в качестве модуляторов вибропреобразователей по-
зволяет получить приведенное ко входу значение дрейфа нуля по-
рядка единиц микровольт. В бесконтактных преобразователях
(транзисторных) можно достигнуть примерно тех же значений дрей-
фа нуля. В гальванометрических усилителях используется преобра-
зование входного сигнала в угол поворота подвижной части галь-
ванометра с последующим преобразованием этого угла в электриче-
ский сигнал большой интенсивности. Дрейф нуля гальванометриче-
ских усилителей возникает главным образом из-за изменения термо-
ЭДС во входном контуре и температурного воздействия на измери-
тельный механизм гальванометра. Приведенное ко входу значение
дрейфа нуля современных гальванометрических усилителей достигает
сотых долей микровольта в час. Верхняя граница рабочего диапа-
зона частот при наличии специальных корректирующих устройств
может быть доведена до 100 Гц и выше, [50].
79

При испытании ФММ в условиях медленного перемагничивания
измерительный усилитель работает без «подстройки, нуля» в тече-
ние нескольких циклов перемагничивания, полное время которых
может составлять (для МММ) десятки минут. Поэтому для усиле-
ния с повышенной точностью малых медленно изменяющихся сигна-
лов часто применяют гальванометрический усилитель с фотоэлектри-
ческим преобразователем угла поворота подвижной части гальвано-
метра в электрический сигнал (ФГУ). Для стабилизации коэффи-
циента усиления и улучшения динамических свойств ФГУ охваты-
вается глубокой отрицательной обратной связью. Такие усилители
по принципу действия представляют собой автоматические компен-
саторы и имеют относительно большое входное сопротивление, что
особенно важно, так как при подключении к ФГУ измерительного
преобразователя поля с малым внутренним сопротивлением падение
напряжения на последнем можно не учитывать.
Для идеального усилителя функция преобразования в статиче-
ском режиме представляет собой уравнение прямой линии
в Ы \=kU вх,
где k — коэффициент усиления.
Функция преобразования реального усилителя может быть пред-
ставлена в виде
^вых=(Н^)^вх±А[/Вых,
где Ak и Аи^ых характеризуют отклонение реальной функции пре-
образования от идеальной.
Погрешность преобразования в статическом режиме найдем как
11 — k т Ti {6-61)
и вых к и вх
Значение aubx обусловлено в основном дрейфом нуля и для
ФГУ составляет примерно 10~2 мкВ/ч. Значение uBx для многовит-
кового преобразователя индукции «В» при нормальных размерах
образца составляет десятки и сотни микровольт. Ожидаемое отно-
шение aubx/ubx составляет примерно 0,001. Путем применения от-
рицательной обратной связи Akjk удается без существенных труд-
ностей довести до 0,002. Тогда ожидаемая статическая погрешность
ФГУ может быть примерно 0,3%.
Максимальное значение коэффициента усиления k канала «В»
определяется следующими обстоятельствами. Для конкретного ре-
шающего усилителя дальнейшее снижение погрешности интегриро-
вания из-за дрейфа осуществляется повышением номинального зна-
чения интегрируемого напряжения. Выходное напряжение серийных
интеграторов АВМ (на базе операционных усилителей У-10) равно
+ 100 В при постоянной интегрирования 1 с. Время интегрирования
соответствующее циклу перемагничивания, в наиболее неблаго-
приятном случае составляет примерно 300 с. В указанном случае
интегрируемое напряжение uk (равное выходному напряжению
uВых усилителя) будет равно:
с/и==Ас/тДи,
где au. — диапазон изменения выходного сигнала; т — постоянная
интегратора.
Так, например, если Лс/=200 В, т=1 с и /и=300/2=150 с, то
сУи=1,3 В, а коэффициент усиления &=(5-s-10) 103.
80

Статическая погрешность интегрирования определяется значе-
нием коэффициента усиления и выходного сопротивления операци-
онного усилителя, а также дрейфом нуля.
Погрешность вследствие конечного значения коэффициента уси-
ления определяется как
5 = 2RCk ' (3'33)
где RC — постоянная времени.
.Например, если /и=300 с, RC=\ с, 6=0,1%, то 6=1,5-105.
Погрешность, обусловленная конечным значением сопротивле-
ния утечки конденсатора Ry, определяется по формуле
6=*и/(2ЯуС). (3-39)
Так, если предположить-6=0,1%, С=1 мкФ, то #у=1,5-10п Ом.
Такие Ry имеют высококачественные конденсаторы, например фто-
ропластовые или полистироловые.
Погрешность от дрейфа нуля усилителя оценивается как отно-
шение напряжения дрейфа £УДР к максимальному выходному напря-
жению интегратора ивых:
:U^RC%
(3-40)
Принимая 6=0,1%, £/и=Ю0 В, получаем £/др=30 мВ. Получен-
ное напряжение £/др указывает на то, что для обеспечения допу-
стимой точности интегрирования необходимо сигнал первичного пре-
образователя усилить до нескольких вольт.
Оценка динамической погрешности (стационарной и переход-
ной) решающего усилителя при произвольной форме сигнала пред-
ставляет значительные трудности вследствие высокого порядка пе-
редаточной функции усилителя [49].
Метод оценки динамической погрешности в независимости от
вида математической операции решающим усилителем достаточно
подробно изложен в работе [49]. Суть его состоит в том, что ре-
шающий усилитель представляется эквивалентной схемой класса
простых воспроизводящих систем, которые предназначены для вос-
произведения на выходе сигнала в требуемом масштабе без измене-
ния его формы.
В этом случае, как показано в [49], динамическая погрешность
будет тем выше, чем больший удельный вес в спектре входного
сигнала в контур обратной связи евх имеет высокочастотная часть.
Спектр этого сигнала непосредственно зависит от математической
операции, выполняемой усилителем:
евх=£п.и(/(о)£/вх, (3-41)
где &п.и (/со) — идеальное значение передаточной функции усилителя.
В режиме масштабного усиления спектры еВх и UBX совпадают,
а в режиме интегрирования в спектре евх удельный вес высокоча-
стотных составляющих уменьшается.
Следовательно, в измерительных каналах «В» и «Н» наиболь-
шую динамическую погрешность имеют масштабные решающие уси-
лители.
Для количественной оценки качества воспроизведения часто
пользуются критерием относительного квадрата функции мгновен-
ных погрешностей. Полагая, что реакция воспроизводящей системы
6—841. 81

На входное воздействие является Некоторой аппроксимацией входно-
го воздействия, среднеквадратическая погрешность такой аппрок-
симации в общем виде представляется соотношением
S2 («я, <*в) = "5Г J (t)]2dt _ j [? (О tfco, (3-42)
0 -—CD
В
где ф(0—входное воздействие; т — длительность воздействия; <он,
(Ов — низшая и высшая границы частотного спектра.
В измерительном устройстве входные сигналы, несущие инфор-
мацию о скорости изменения индукции B(t) и напряженности внеш-
него поля #(>/), имеют'вид, представленный на рис. 1-9.
Если принять, что входное воздействие имеет вид, показанный
на рис. 1-9,а, и представляется функцией
|0 в интервале ^<0 и />т,
(1 в интервале О^^^т,
то тогда выражение (3-42) после преобразований будет иметь вид:
(3-43>
где
__сон_ соа_ J__ 2гс52
'н_ 2п' 'в~~ 2гс' -и ' 0 дин ^" т •
Полученная формула дает динамическую погрешность воспро-
изводящей системы для указанного сигнала..
Точность определения /о, ,/н и /в практически не влияет на опре-
деляемую динамическую погрешность, так как в случае аппрокси-
мации функции тригонометрическим рядом погрешность от несов-
падения коэффициентов этого ряда с коэффициентами ряда Фурье
пропорциональна квадрату разности их,, т. е. ошибка в оценке
динамической погрешности будет величиной второго порядка ма-
лости.
При заданной динамической погрешности верхняя граничная
частота для решающего усилителя определяется из выражения
(3-43):
, 2—
71 то дин
Для обеспечения 6ДИн=С,и5 при длительности сигнала т=10 с
f»*=8 Гц.
При испытании образцов малых сечений, когда требуется т=
=0,5 с при той же величине бДИн, /В=160 Гц. В последнем случае
в УПТ используется бесконтактный транзисторный модулятор.
3-4. АТТЕСТАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ
МАГНИТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ
ОБРАЗЦОВ ФММ
Проведенный анализ погрешностей позволяет, исходя из задан-
ного класса точности разрабатываемой магнитоизмерительной си-
стемы, определить схемы включения и основные требования к пара-
82

метрам измерительных усилителей и преобразователей (интеграто-
ров). Однако действительная погрешность измерительных каналов
«Б» и «Я», как отмечалось выше, по стандартным образцам уста-
новлена быть не может, так как ожидаемые погрешности будут на
уровне или даже ниже погрешностей аппаратуры, применяемой при
аттестации образцов.
Число составляющих погрешностей измерительных каналов, .под-
лежащих суммированию, велико, а точное определение и учет кор-
реляционных связей весьма сложны. Поэтому для оценки результи-
рующей погрешности измерительных каналов целесообразно градуи-
ровать их в целом (включая первичный преобразователь) по из-
мерению напряженности поля в рабочем объеме электромагнита,
применяя в качестве образцового прибора высокоточный измери-
тель напряженности поля. В этом случае погрешность градуировки
измерительного канала определяется как среднеквадратическое от-
клонение ряда повторных измерений, подсчитываемое по формуле
где Aj=aCp—а*— отклонение от среднего арифметического резуль-
тата измерений; аг- — результат i-ro измерения.
Однако было бы неправильно утверждать, что полученная та-
ким образом оценка погрешности каналов определяет точностные
показатели магнитоизмерительной системы в реальных условиях ра-
боты. Такую проверку целесообразно проводить многократно на
аттестованных с повышенной точностью образцах. Это позво-
ляет, с одной стороны, исключить грубые погрешности, а с дру-
гой — установить воспроизводимость результатов измерения, что
также служит точностным показателем измерительной аппара-
туры.
Погрешности измерения статических характеристик В (Я) ФММ
могут быть определены по результатам всестороннего исследования
разработанных устройств и проведения • специальной про-
граммы испытаний, которые включают в себя теоретические иссле-
дования погрешностей отдельных узлов, оценку неисключенных
остатков систематических погрешностей, а также случайных по-
грешностей.
Программа исследований и испытаний предложенных устройств
была разработана в процессе исследования макетов автома-
тических магнитоизмерительных установок совместно с ВНИИМ
им. Д. И. Менделеева [51].
Исследования по предложенной программе проводятся в два
этапа: '
первый этап — подготовительный, включающий аттестацию с по-
вышенной точностью измерительных преобразователей и стандартных
образцов ФММ, экспериментальную . оценку погрешностей каналов
измерительного устройства й определение максимальной расчетной
погрешности измерения В и Я;
второй этап — основной, включающий в себя определение абсо-
лютной погрешности измерения напряженности магнитного поля из-
мерительными каналами «В» и «Я» и запись СПГ стандартных
образцов.
В программу исследований и аттестацию магнитоизмерительных
установок введена запись СПГ специально подготовленных стан-
(3-44)
а*
83

дартных образцов* ФММ и сравнение СПГ с паспортными данными,
полученными на образцовых баллистических установках. Это вызва-
но тем, что во всех действующих в настоящее время нормативных
материалах предусмотрена поверка измерительных установок для
исследования ФММ по стандартному образцу, а метрологические
организации в отдельных случаях могут гарантировать определение
зависимости В (Я) стандартного образца с погрешностью измерения
В и Я, равной 1—2%.
Глава четвертая
ЭЛЕМЕНТЫ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
В числе основных факторов, влияющих на погрешность изме-
рений и производительность процесса испытаний ферромагнитных
материалов при использовании метода медленно изменяющегося
внешнего поля, важное место занимает подготовка образца из ФММ
для испытаний.
Время, затрачиваемое на подготовку образца, складывается из
времени, необходимого для создания формы и обработки рабочих
поверхностей, и времени на установку образца и измерительных пре-
образователей в намагничивающее устройство (электромагнит, на-
магничивающая обмотка).
Чем проще форма (призма, цилиндр, пластина), тем меньше
времени необходимо на механическую обработку. Значительно со-
кращается время на установку образца в намагничивающее устрой-
ство, если размеры измерительных преобразователей не имеют жест-
кой связи с размерами образца. Однако даже при испытании образ-
цов простейших геометрических форм в однородном внешнем маг-
нитном поле они намагничиваются неодинаково по объему. С другой
стороны, поле образца может исказить внешнее поле. Тогда изме-
рения не будут отражать действительное магнитное состояние ма-
териала образца, так как на внешнее поле будет накладываться
собственное поле образца.
Таким образом, необходимо обеспечить сведение до минимума
воздушного зазора, т. е. создать замкнутую^ магнитную цепь. Обра-
зец и измерительные преобразователи должны находиться в одно-
родном поле.
Для низкокоэрцитивных материалов эти трудности в значитель-
ной мере устраняются изготовлением образцов в форме колец, где
однородность намагничивания, с одной стороны, обеспечивается со-
ответствующим выбором отношения внешнего диаметра к внутрен-
нему [52], а с другой — равномерностью распределения намагничи-
вающей обмотки по окружности кольца. Если требуется один или
несколько витков, то намагничивающие проводники располагаются
по центру кольца.
Для перемагничивания образца МТМ с целью получения пре-
дельных статических характеристик необходимая величина напря-
женности внешнего поля для отдельных материалов может дости-
гать 2000—3000 кА/м. Такие поля обычно получают в электромаг-
нитах с малым воздушным зазором, т. е. при использовании отно-
сительно коротких образцов.
84

4-1. ЭЛЕКТРОМАГНИТ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Электромагнит сильных полей как источник внешнего поля для
испытания магнитотвердых материалов на образцах простейшей фор-
мы (параллелепипед, цилиндр) в квазистатическом режиме перемаг-
ничивания должен создавать сильное магнитное поле в заданном
о§ъеме (тысячи кА/м); обеспечивать высокую однородность поля
в рабочем объеме (неоднородность не более 1%); иметь малую
инерционность; иметь сравнительно малые габариты и массу; до-
ступность рабочего пространства, технологичность изготовления.
Для создания источника сильного магнитного поля, удовлетво-
ряющего указанным требованиям, необходимо знать распределение
магнитного потока по длине и сечению магнитопровода, топографию'
магнитного поля в рабочем объеме с испытуемым образцом, пра-
вильно % выбрать геометрическую форму и габариты полюсов, рас-
пределить материал магнитопровода по участкам, правильно вы-
брать расположение и объем намагничивающих катушек.
Конструированию источников сильных магнитных полей посвя-
щено большое число работ [41, 53 и др.]. Однако в них предлага-
ются способы и методы получения максимального поля в зазоре
безотносительно к удовлетворению других требований, имеющих
в рассматриваемых режимах работы определяющее значение для
работоспособности намагничивающей системы и точности измерения
магнитных параметров испытуемого образца ферромагнитного мате-
риала. При проектировании источника поля необходимо решить так-
же вопросы расчета трехмерного магнитного поля, учета магнитного
сопротивления, полей рассеяния и выпучивания, выбора наиболее
рациональной конструкции и др.
Как известно, магнитный поток для замкнутой магнитной цепи
равен:
F wi
где 2l/?m — общее магнитное сопротивление цепи.
Магнитная цепь электромагнита сильных полей состоит в основ-
ном из трех участков (рис. 4-1):
1) рабочий зазор, длина и сечение которого равны длине /об
и сечению S06 образца;
2) участок длиной /к и сечением SK, где происходит концентра-
ция магнитного потока (полюсные наконечники);
3) ярмо и полюсы' электромагнита длиной /'я^/п-Кя, и сечени-
ем 5Я. Без учета потоков рассеяния выражение (4-1) можно запи-
сать в виде
wi wl
ф = —г: / тг^=:—г—X
*об | lk 1
^об^об Sk^k ^яР-я «^об^об
\ ^об^кМ-к ^обЗяМ'я J
Так как при достижении максимального поля обычно |л0б^1 и
|1К^1, то, подставляя Ф0б=£об5об, £об=и.об#о, получаем:
H«(l + ±%L+±J£L$L)-\ (4-2)
'об V 1°б S% ^я 1°6 5я /
85

Разлагая (4-2) в ряд и ограничиваясь первым членом, после
преобразований получаем:
где
и-и«-~и«\и sK %я /об 5Я
wi
/об
'об
(4-3)
(4-4)
Здесь Af, Su — плотность тока и сечение меди намагничивающей
обмотки; km — коэффициент заполнения медью.
Рис. 4-1. Магнитная цепь электромагнита сильных по-
лей и полюс электромагнита с концентратором маг-
нитного потока.
Из выражений (4-3) и (4-4) видно, что для достижения макси-
мального поля в рабочем объеме электромагнита необходимо, преж-
де всего, уменьшать /0б и увеличивать плотность тока А*. При
испытаниях образцов МТМ в условиях медленно изменяющегося
поля намагничивающую обмотку электромагнита можно перегружать
по току в 2—4 раза.
Уменьшение /0б ограничено, с одной стороны, однородностью
намагниченности образца из-за наличия технологического зазора
между образцом и рабочей гранью полюса, а с другой — сечением
образца, минимальное значение которого выбирается из условий
чувствительности первичного преобразователя поля. При этом оче-
видно, что увеличение сечения ведет к увеличению технологического
зазора. На основе исследования однородности поля и намагниченно-
сти образца можно установить оптимальное значение отношения
&об=/об/£об (гл. 3) и при дальнейшем анализе считать его посто-
янным. Тогда выражение (4-3) можно представить в следующем
виде:
н=">-н^{к+{к)- (4-3,)
Казалось бы, приняв в (4-3') /к=0 и выбрав материал с большим
и.я, увеличивая SH и уменьшая Гя, можно свести второй член выра-
.86

жения (4-3) к малой величине. Однако уменьшение 1;я и увеличение
Sa непосредственно влияют на снижение намагничивающей силы,
так как
и, следовательно, уменьшается Я0 (здесь сечение ярма и полюса
принято квадратным). А максимальному значению \1Я соответствует
сравнительно небольшое значение В (1—1,2 7), поэтому для про-
ведения необходимого потока приходится увеличивать сечение ярма
и полюсов.
Для, электромагнитов с максимальным полем до 1600 кА/м
магнитная система выбирается с /к=0, материал полюсов берется
с большим В (при |хд^|ля.макс), а конусность полюсов делается не-
большой, так как ее роль состоит только в компенсации влияния
рассеяния потока на магнитное состояние материала по длине по-
люса.
В электромагнитах с максимальным полем до 2400 кА/м вво-
дится концентрация магнитного потока [/к>0 в (4-3')]. Выбор /к
и SK требует глубокого анализа топографии поля на этом участке,
результатом которого является определение оптимального значения
отношения lK/SK. Эскиз полюса такого электромагнита представлен
на рис. 4-1,6.
Получение полей больше 2400 кА/м достигается, кроме концен-
трации потока, в основном за счет увеличения намагничивающей
силы в короткие промежутки времени или увеличением плотности
тока намагничивающих обмоток, используя принудительное охлаж-
дение намагничивающих катушек.
При расчете магнитной системы, задачей которой является со-
здание" магнитного поля в определенном зазоре (объеме) с необхо-
димой однородностью, обычно задаются следующие параметры:
индукция в зазоре, верхняя граница мощности возбуждения элек-
тромагнита, напряжение питания катушек, габариты объема, в ко-
тором необходимо создать поле, допустимая неоднородность поля.
Ограниченное число данных, сложность потокораспределения,
большой удельный вес потоков рассеяния и выпучивания, необходи-
мость учета магнитного сопротивления участков магнитопровода —
все это приводит к неоднозначности решения, невозможности точ-
ного аналитического решения и выбора параметров ЭМ наиболее
рациональной конструкции.
Самым простым и наиболее общим методом расчета таких си-
стем является метод вероятных путей потока, предложенный Ро-
терсом [41]. Идея его состоит в замене трехмерного поля совокуп-
ностью фигур, магнитные проводимости которых легко вычислить
аналитически. Однако в случае электромагнита сильных полей пара-
метры магнитной цепи имеют нелинейную зависимость В от Я, что
приводит к нелинейным дифференциальным уравнениям, решение
которых затруднено и большинство авторов ограничиваются опыт-
ными исследованиями или прибегают к приближенным методам чис-
ленного интегрирования дифференциальных уравнений-, расчету по
участкам с помощью коэффициентов рассеяния и т. п.
Расчет электромагнита сильных полей можно разделить на два
этапа. На первом этапе, в зависимости от особенностей эксплуата-
(4-5)
87

Цйй, .производится выбор конструкций электромагнита, который
включает: 1) выбор типа магнитопровода и намагничивающей об-
мотки; 2) выбор конфигурации полюсов; 3) выбор конструкции
устройства для перемагничивания и фиксации полюсов; 4) определе-
ние рабочего объему.
Второй этап в основном состоит из расчета намагничивающей
силы, параметров магнитопровода (длины и сечения участков) и
намагничивающей обмотки.
Известные рекомендации [53] исходят в основном из опыта
й представлены эмпирическими формулами, что не дает во всех
случаях правильного решения и часто приводит к неоправданному
завышению габаритов магнитной системы и, следовательно, к ухуд-
шению динамических показателей намагничивающих систем. Ука-
занные трудности в значительной мере устраняются, если опреде-
ление параметров электромагнита производить с помощью ЭВМ
исходя из данной однородности магнитного поля в рабочем объеме
и минимальной инерционности электромагнита. Методика и машин-
ная программа расчета приводятся ниже.
Л. Выбор величины рабочего объема
Картина распределения поля в рабочем зазоре электромагнита
позволяет выяснить влияние технологического зазора между полюса-
ми и образцом, насыщения полюсов и размеров образца на по-
грешность измерений.
Рис. 4-2. Технологический зазор между рабочими гра-
нями образца и полюсов (а) и сечение рабочего объе-
ма электромагнита (б).
Требования минимальных зазоров между испытуемым образцом
и полюсами электромагнита становятся более жесткими при испы-
тании коротких образцов, экспериментальное исследование топогра-
фии поля для которых затруднено. Поэтому теоретический анализ
картины распределения поля, и особенно количественной оценки ее,
становится практически единственным способом решения этой за-
дачи.
Рабочим объемом электромагнита называют объем в. зазоре
между полюсами с заданной однородностью поля, в котором разме-
щаются образец и преобразователи поля. Габариты рабочего объема
определяются длиной испытуемого образца и наружным диаметром
(контуром) измерительной обмотки преобразователя поля, который
зависит от формы и площади сечения образца. Неоднородность
поля в рабочем объеме обусловлена наличием технологического за-
зора между рабочими гранями полюсов и образца и выпучиванием
потока. Эффективная величина технологического зазора бэ опреде-
88

ляется в основном поперечными размерами образца а (диаметр,
грань) (рис. 4-2), а влияние его на искажение поля проявляется
практически вдоль длины образца.
Искажение поля вследствие выпучивания потока зависит от
расстояния между полюсами /0б, формы полюсных наконечников, их
магнитного состояния и размера рабочей грани полюса Dn.
Таким образом, с целью снижения влияния технологического
зазора на точность измерений необходимо правильно выбрать отно-
шение /об/£об, учитывая при этом минимально допустимое значение
S06 по условиям чувствительности и точности измерительного ка-
нала «В».
Если принять в качестве параметра, характеризующего размеры
образца, отношение к=10б/а, то, полагая сечение образца квадрат-
ным, определяя эквивалентный зазор в относительных единицах
бэ*=бэ//об, получаем из рис. 4-2:
Величина бэ* берется из результатов исследования топографии
поля (гл. 3, рис. 3-8) и определения допустимых пределов искаже-
ния поля в зоне расположения измерителей поля.
Таблица 4-1
5
э*
а
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
1°
8,75
4,37
2,92
2,18
1,75
30'
4,35
2,18
1,45
1,09
0,87
20'
2,9
1,45
0,97
0,73
0,58
В табл. 4-1 приведены результаты расчета /0б/а при изменениях
6Э* в пределах 0,002—0,01, а а — в пределах 20'—Г.
Из таблицы видно, что отношение /0б/я должно быть строго
регламентировано, особенно при прецизионных измерениях. Так, на-
пример, если по условиям чувствительности и точности измеритель-
ного канала «В» принимается квадратное сечение образца площадью
1 см2 и бэ*=0,002, а технологический перекос полюсов составляет 20',
то длина образца должна быть не менее 2,9 см, т. е. /0б/я^2,9.
Поперечное1 сечение (диаметр сечения) рабочего объема при исполь-
зовании коаксиального измерителя поля £>нар определяется из пред-
положения, что значение компенсируемого паразитного потока вы-
бирается из условия получения зависимости /(Я). В этом случае
из рис. 4-2,6
tiDbh , _ « Ф2пар — £>2вн) .А -
4 «з ^ » {4-1)
где DBH — внутренний диаметр преобразователя поля; &3—-коэффи-
циент запаса.
Из выражения (4-7) после преобразований, приняв &3=1,25, по-
лучаем:
Рнар = Аш VT+k* = 195йщ. (4-8)
§9

Таким образом, по заданной величине сечения образца (пара-
метр а), выражению (4-8) и табл. 4-1 достаточно просто определя-
ются габариты рабочего объема электромагнита DHap и /0б-
С другой стороны, по результатам анализа эффекта выпучива-
ния потока, проведенного в гл. 3 (§3-1) для разных /0б, задаваясь
допустимой неоднородностью поля, по кривым рис. 3-3,а и б можно
определить первый размер магнитной системы электромагнита —
площадь рабочей грани полюса.
Б. Определение конусности полюсов
Как было установлено из анализа магнитопровода электромаг-
нита, равномерность намагниченности образца и лучшее использо-
вание намагничивающей силы будут обеспечены в том случае, если
магнитное сопротивление полюсов и ярма будут минимальными.
Этому режиму соответствует магнитное состояние на кривой намаг-
ничивания материала в области |1Макс
Наиболее прост выбор сечения и конструкции ярма. Для равно-
мерного распределения магнитного потока наиболее рациональным
следует считать панцирный тип ярма, так как он создает осевую
симметрию магнитного потока и позволяет свести к минимуму его
рассеяние.
При правильной конструкции такое ярмо служит также хоро-
шим экраном магнитного поля, что весьма важно при работе, так
как в противном случае электромагнит будет создавать сильные
помехи, особенно в моменты включения и выключения тока.
Площадь сечения ярма определяется из условия получения мак-
симальной проницаемости материала, т. е. ярмо нигде не должно
быть намагничено до насыщения. Это позволяет свести к минимуму
нормальную составляющую магнитной индукции вблизи поверхности
ярма, т. е. свести к минимуму рассеяние магнитного потока.
Насыщение полюсов ограничивает максимальное значение напря-
женности поля в воздушном зазоре. Конусные наконечники являют-
ся как бы фокусирующими насадками для магнитного потока,
обеспечивающими его минимальную потерю при прохождении через
полюс. Необходимым условием для этого является также достаточно
высокая магнитная проницаемость сердечника, обеспечивающая ма-
лую нормальную слагающую магнитной индукции в воздухе, на
его боковой поверхности. Очень важно выбрать правильный угол
конусности полюса cii (рис. 4-1,6).
Для ориентировочной оценки угла ai воспользуемся методом
проводимостей. Формула для определения магнитной проводимости
полюсного наконечника (рис. 4-3) имеет вид [40]:
2к
GP = ^° iz/2 — <
где
R2 , 90°— а, 1
ryln-^ + iR, +#2)cos g • (4-9^
COS а, <= COS а
И
б=/0б/2 — половина длины зазора.
Определим угол di, при котором индукция в сечениях полюсов
/ и 2 (рис. 4-3,а) была бы одинаковой:
M4 + 2/ntgai)2
90

Полагаем, что поток в Сечении St равен потоку в зазоре Ф1
— Ф5, а в основании полюса Ф2 = Ф6 +Фр, где Фр — поток рас-
сеяния.
По закону полного тока воздействие намагничивающего тока
может быть заменено распределением скалярного магнитного по-
тенциала по поверхности магнитопровода (ярма). Из условия сим-
метрии потенциал по оси у принимаем равным нулю, а из условия
Bi=B2 и ц=1|лМакс запишем U^n=HJn^Ot т. е. потеря магнитного
напряжения в полюсе близка к нулю.
Рис. 4-3. К определению магнитной проводимости фигуры вращения
(а) и эскиз концентратора магнитного потока (б).
Исходя из этого
где Gb— магнитная проводимость зазора.
Окончательно получим:
о Ф5-
Вх = В2 ~
<2>5(1 + Gp/G5)
( °р
ЦЧ-5Г
(4-10)
Проводимость воздушного зазора без учета «выпучивания»
2тц^2п
: 45 ^°
(4-П)
тогда
Si/Gp=6/2. (4-1 la)
После подстановки (4-11) и (4-11а) в (4-10) и преобразований
получим:
-—^tg осЛ In ^-±-^ +
6 1J COS 04
90°
COS a.
- cos ■
(4-12)
91

С учетом выпучивания проводимость зазора равна [40]:
/mi2 \
G\ = 2(4(^ + 0,816^. (4-13)
Получить решейие уравнения (4-12) с учетом (4-13) в силу
большого числа варьируемых параметров представляет определенные
трудности. Вводя ограничения (^~§~^^> ^п^^ и ДР-) и подстав-
ляя реальные значения параметров б по (4-12), можно найти, что
угол di лежит в пределах 15—25°.
В. Выбор концентраторов магнитного потока
Как указывалось выше, одним из основных путей увеличения
потока в рабочем зазоре электромагнита является применение кон-
центраторов — специальных полюсных наконечников, сечение которых
увеличивается от торца к основанию (рис. 4-3,6). Очевидно, наи-
Рис. 4-4. Экспериментальные данные влияния конусности полюса
(угла аг) на магнитный поток в рабочем зазоре электромагнита
ЭМ-1 МЭИ.
больший эффект концентрации потока будет в том случае, если
заданный поток в зазоре достигается при наименьшей намагничи-
вающей силе, затрачиваемой на преодоление сопротивления магнит-
ному потоку на участке (/0б+2/к).
Если воспользоваться широко распространенным методом расчета
магнитопровода — методом вероятных путей потока, предложенным
Ротерсом [41] и развитым в ряде работ [40, 53], то можно доста-
точно просто показать эффективность концентрации потока и про-
92

извести приближенный расчет концентраторов. При этом следует
учитывать, что наибольшее магнитное сопротивление падает на на-
конечники и воздушный зазор. Для преодоления этого сопротивле-
ния требуется до 80% общей величины намагничивающей силы.
Таким образом, габариты полюсных, наконечников и воздушного
промежутка, а также напряженность поля в зазоре являются ис-
ходными параметрами для определения конструктивных данных
электромагнита.
Задавшись определенным значением потока в рабочем зазоре
и зная характеристику материала \л(В), можно приближенно оце-
нить угол а2. Очевидно, минимум функции £(0,2) и укажет
наиболее эффективный угол аг. Однако вопрос учета магнитного
сопротивления материала полюсных наконечников при насыщении,
непостоянство сечения, неопределенность пути потока, зависимость
магнитной проницаемости от положения рассматриваемого сечения
по длине концентраторов — все это создает существенные трудности
решения поставленной задачи. Анализ [24] показал, что FMUH нахо-
дится в области ci2=30-h-80o.
Приведенные на рис. 4-4 экспериментальные кривые дают пред-
ставление о влиянии величины угла конусности аг на поток в рабо-
чем зазоре лишь для конкретного электромагнита. Учесть при проек-
тировании электромагнита все факторы и их взаимную связь—за-
дача, разрешимая лишь путем моделирования всей системы
электромагнита.
Г. Методика расчета электромагнита сильных полей
с использованием цифровой ЭВМ
Целью расчета электромагнита сильных полей является опре-
деление таких минимальных геометрических размеров, конфигурации
магнитной системы, комбинации магнитных материалов и минималь-
ной намагничивающей силы, при которых в рабочем объеме обеспе-
чивается получение заданных значений и однородности магнитного
поля. Следовательно, задача сводится к нахождению топографии
магнитного поля в рабочем пространстве электромагнита, распреде-
лению векторов индукции и напряженности поля в рабочем объеме
насыщенных полюсных наконечников и магнитного состояния полю-
сов и ярма.
Математическая постановка задачи состоит в следующем:
1. Намагничивающая сила катушки электромагнита представля-
ется эквивалентным распределением скалярного магнитного потен-
циала вдоль поверхности ненасыщенных участков магнитопровода.
2 Магнитное поле рассматривается как потенциальное, и рас-
пределение скалярного магнитного потенциала в рабочем объеме
подчиняется уравнению Лапласа при граничных условиях Дирихле,
а в ферромагнитном материале магнитопровода при условии его
насыщения — уравнению Пуассона при аналогичных граничных усло-
виях.
3. Связь магнитных характеристик В (Н) задается графически
кривыми намагничивания ферромагнитного материала и аналитиче-
ски с помощью магнитной постоянной |Ло в воздушном рабочем
объеме.
4. Тип магнитопровода выбран осесимметричным, конфигурация
магнитной системы и исходные значения углов ai и аг выбираются
ориентировочно по результатам вышеизложенного анализа.
93

Совместное решение уравнений для магнитного потенциала
в воздушном зазоре и в ферромагнитном материале при учете гра-
ничных условий (равенство нормальных составляющих векторов
индукции и тангенциальных составляющих векторов напряженности
поля) полностью определяет магнитное состояние магнитопровода
и топографию магнитного поля в рабочем объеме.
Основная сложность решения данной задачи заключается в том,
что распределение вектора намагниченности divJ при насыщении
полюсов электромагнита неизвестно и, более того, в каждой точке
внутри полюса зависимость
if вектора намагниченности от
lft напряженности поля имеет
нелинейный характер.
Для решения этой за-
дачи предлагается методика,
использующая поточную
функцию
BdS,
(4-14)
которая описывает распре-
деление потока в областях
с ферромагнитным материа-
лом при допущении равен-
ства нулю ротора вектора
намагниченности в этих об-
ластях rot J=0 (материал
насыщен).
Таким образом, для расчета осесимметричной системы рис. 4-5
необходимо решать дифференциальное уравнение Лапласа для об-
ласти 2 и внешней области
Рис. 4-5. К расчету магнитной систе-
мы электромагнита сильных полей.
df
Р Ф
(4-15)
и дифференциальное уравнение для поточной функции для обла-
сти 3
dp2 р dp dz2 и
(4-16)
при указанных выше граничных условиях. При этом учитываются не-
линейные связи Вр(Нр) и BZ(HZ). Расчет проводится итерационным
методом.
Предварительно заданы намагничивающая сила F = wl; габариты
системы; характеристики материала магнитопровода Вр (Н?) и BZ(HZ).
Программа решения задачи состоит в следующем:
1. Задаются:
линейный закон изменения фм вдоль контура MNK. Полная
wl
величина <рм = -g-J
значение срм на плоскости симметрии FPMR равно нулю;
значение фм (в первом приближении) на поверхности полюсного
наконечника КСД принимается равным нулю, т. е. он ненасыщен;
94

из условия симметрии на оси системы нормальная производная
потенциала равна нулю.
2. Решается задача Лапласа методом сеток с условием Дирих-
ле — Неймана в области MNKCDFM.
3. Подсчитывается grad фм на границе кс д.
4. Определяется распределение граничной функции i|)M первого
приближения по (поверхности:
ФмС = о, Ктсо = J bus.
5. Подсчитывается значение поточной функции на оси симме-
трии ад. На торце магнитопровода at она равна нулю (полагая,
что весь поток замыкается по магнитопроводу), а на поверхности
тк значение нормальной производной поточной функции приравни-
вается нулю.
6. Рассчитывается распределение if>M в области атксд по ме-
тоду сеток для уравнения (4-16).
7. Определяется распределение вектора В в области атксд и
по кривым вр(нр) и bz(hz)—распределение вектора Н.
8. С учетом соотношения Н=—grad qpM определяется распреде-
ление фм по границе ксд во втором приближении.
9. Расчет повторяется с пункта 2 до тех пор, пока закон рас-
пределения фм | кcd(я-И) приближения не совпадает с заданной
точностью с законом фм| ксо(п) приближения.
10. В результате расчета определяются топография и напряжен-
ность поля в рабочем объеме электромагнита.
11. Расчет по пп. 2—10 повторяется при изменении аг на+Ааг-
12. Строится зависимость Я0=/(а2), выбирается аг, при котором
Н о=Я макс (
13. Расчет по пп. 2—10 повторяется при изменении угла aj на
±Aai.
Рис. 4-6. Экспериментальные данные электромагнита ЭМ-2 МЭИ (а)
и электромагнита ЭМ-3 (б).

14. Строится зависимость #o=/(ai), выбирается- cti, при кото-
ром #о=#макс.
15. Расчет по пп. 2—10 повторяется при изменении (pM=wI/2
16. Строится зависимость Ho—f^wl), по которой выбирается
(wl), необходимая для получения в зазоре заданного значения Я0.
Принимая полученные значения dn, ш, аг и wl фиксированными
и считая заданным режим работы намагничивающих катушек и
источника питания, можно произвести расчет параметров магнитной
системы и намагничивающих катушек. Цель расчета — получение
минимальной инерционности электромагнита (L3M/R9Wl) при мини-
мальной потребляемой мощности (^Эм/2)мин.
Экспериментальные данные разработанных электромагнитов
ЭМ-2 МЭИ и ЭМ-3 приведены соответственно на рис. 4-6,а и 4-6,6.
Далее приводятся технические данные электромагнитов.
Электромагнит ЭМ-1 МЭИ. Электромагнит ЭМ-1 предназначен
для исследования статических магнитных характеристик малогаба-
ритных образцов МТМ в условиях медленно изменяющегося внеш-
него поля.
Общий вид электромагнита представлен на рис. 4-7, конструк-
ция — на рис. 4-8. Электромагнит панцирного типа У, выполнен
с горизонтальным положением оси полюсов. Керны полюсов 3, вы-
полненные из стали Э, перемещаются винтовой системой 4, снаб-
женной одной ручкой управления.
Технические данные электромагнита
Форма ярма Цилиндри-
ческая
Материал ярма . . • Сталь 3 ^
Доступ к рабочему пространству Свободный
Расстояние между катушками, мм 40
Диаметр керна полюсов, мм , 50
Диаметр рабочей грани, мм . ^ 30—50
Рабочий зазор, мм 3—20
Напряженность магнитного поля в зазоре, кА/м:
4 мм 2400
10 мм 2000
20 мм ... 1000
Длина образца, мм 3—20
Площадь сечения образца, мм2 . 4—100
Потребляемая мощность, кВт:
максимальная . • 7
длительная 1
Масса, кг 65
Намагничивающая обмотка 2 состоит из двух катушек по четы-
ре секции (I—IV) каждая (на рисунке не показаны). Обмотка вы-
полнена из медной фольги 0,2X15 мм2 с фторопластовой изоляцией
с общим числом витков — 1600.
Данные намагничивающей обмотки:
Секции I II III IV
w, витки 240 215, 190 170
R, Ом 0,57 0,515 0,485 0,45
96

Рис. 4-7. Общий вид электромагнита ЭМ-1 МЭИ.
Рис. 4-8. Эскиз конструкции электромагнита ЭМ-1 МЭИ.
Электромагнит ЭМ-2 МЭИ. Электромагнит предназначен для
исследования статических магнитных характеристик образцов высо-
кокоэрцитивных МТМ в условиях медленно изменяющегося поля.
Общий вид представлен на рис. 4-9, конструкция — на рис 4-10
Электромагнит панцирного типа 1 с горизонтальным расположением
оси полюсов выполнен с коническими полюсами 2 для увеличения

Рис. 4-9. Общий вид электромагнита ЭМ-2 МЭИ.
Рис. 4-10. Эскиз конструкции электромагнита ЭМ-2 МЭИ.
концентрации потока в рабочем зазоре. Перемещение полюсов вин-
товое с жесткой фиксацией положения 3.
Технические данные электромагнита
Диаметр керна полюса, мм 125
Диаметр торца полюса, мм 60
Диаметр пермендюрового наконечника, мм 30
Масса электромагнита, кг . . . 205
Охлаждение электромагнита Естественное
98

Напряженность магнитного поля в зазоре, к А/м (кЭ):
6 мм До 2800(35,2)
15 мм До 2250(28,2)
Длина образца, мм 5—30
Площадь сечения образца, мм2 50—400
Потребляемая мощность, кВт:
максимальная 5
длительная 2—2,5
Конструкция электромагнита разборная с максимальной массой
наибольшей детали не более 80 кг.
Намагничивающая обмотка 4 состоит из двух катушек по шести
секций (I—VI) каждая (на рисунке не показаны). Обмотка выпол-
нена из медной фольги 0,2X15 мм с фторопластовой изоляцией
Рис. 4-11. Эскиз конструкции электромагнита ЭМ-3.
7* 99

с общим числом витков — 2000. Сопротивление при последователь-
ном соединении обмоток — 8,5 Ом.
Данные намагничивающих обмоток:
Секции I II HI IV V VI
ш, витки 230 200 180-150 130 ПО
R, Ом 0,82 0,8 0,78 0,70 0,61 0,53
Электромагнит ЭМ-3 МЭИ. Электромагнит предназначен для
исследования статических магнитных характеристик в условиях мед-
ленно изменяющегося поля высококоэрцитивных образцов на основе
сплавов редкоземельных металлов с кобальтом. Конструкция элек-
тромагнита представлена на рис. 4-11.
Электромагнит .панцирного типа с горизонтальным расположе-
нием оси полюсов выполнен с коническими полюсами.
Технические данные электромагнита
Диаметр керна полюса, мм 140
Диаметр торца полюса, мм 60
Диаметр пермендюрового наконечника, мм 20
Масса электромагнита, кг 650
Охлаждение электромагнита . Водяное
Напряженность магнитного поля в зазоре, кА/м (кЭ):
6 мм 4000(50)
10 мм ' 3200(40)
Длина образца, мм • . . . 5—30
Площадь сечения образца, мм2 50—400
Потребляемая мощность (максимальная без охлаждения),
кВт • 30
Намагничивающая обмотка выполнена из медной фольги 0,5Х
Х22 мм с фторопластовой изоляцией, с общим числом витков —
1800. Сопротивление при последовательном соединении секций —
2,93 Ом.
Данные намагничивающей обмотки:
Секции .... I II III IV V VI
w9 витки . . 200 180 160 140 120 100
Я,' Ом. . . 0,567 0,,562 0,517 0,492 0,414 0,392
4-2. УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
НАМАГНИЧИВАЮЩИХ ОБМОТОК
Испытание ФММ в условиях медленно изменяющегося поля
в режиме 0i?(/)=const облегчает задачу получения больших полей
за счет увеличения плотности тока в намагничивающих обмотках
и снижения средней потребляемой электрической мощности.
Однако управляемый источник питания (УИП) намагничиваю-
щих обмоток должен удовлетворять определенным требованиям, ос-
новные из которых состоят в следующем:
1) обеспечение двухполярного тока с пульсациями не более 1%;
2) .малая мощность управления;
3) высокая перегрузочная способность в импульсе тока —
(Зч-5)/н;
100

4) линейность н однозначность характеристики управления;
5) фиксация «нуля» и отсутствие его дрейфа;
6) малая инерционность;
7) надежность в работе и простота в эксплуатации;
8) высокий к. п. д., минимальные габариты, масса и стоимость.
В качестве управляемого источника намагничивающего тока
(усилителя мощности) могут быть использованы:
1) электромашинный усилитель (ЭМУ или система ЭМУ — гене-
ратор постоянного тока);
2) транзисторный усилитель мощности;
3) тиристорный преобразователь-усилитель.
ПУМ
\ЭМУ
ЭМ
h(t)
ПУ
ЭМ
ОС
Mft)
а)
5)
Рис. 4-12. Схемы управляемого источника тока на базе ЭМУ (а),
транзисторного усилителя мощности (б).
По стоимости, надежности в работе, уровню пульсаций, пере-
грузочной способности и простоте эксплуатации ЭМУ значительно
превосходит два других типа усилителей. Однако большая инерцион-
ность (хмалый частотный диапазон), повышенный шум, смещение
«нуля» ограничивают возможности его применения.
При размещении ЭМУ в отдельном помещении и введении от-
рицательной обратной связи по напряжению и току нагрузки уда-
ется значительно линеаризовать характеристику управления, снизить
остаточную ЭДС и расширить частотный диапазон до 2—2,5 Гц,
что удовлетворяет требованиям при испытании образцов МТМ нор-
мальных и больших размеров. Структурная схема УИП с ЭМУ
представлена на рис. 4-12,а.
Коэффициент усиления УИП, выполненного на базе ЭМУ (или
ЭМУ-генератор), изменяется неоднозначно при увеличении и умень-
шении тока управления и зависит от диапазона изменения входного
сигнала, из-за гистерезиса и насыщения магнитной цепи. Введение
ООС по току нагрузки или напряжению позволяет существенно
снизить влияние собственного гистерезиса ЭМУ на изменение коэф-
фициента преобразования. В этом случае остаточная нелинейность
и гистерезис выходной характеристики ЭМУ определяются нелиней-
ностью переходного сопротивления щеточных контактов и насыще-
нием зубцов. Вид и глубина обратной связи (по току или напря-
жению) определяются ее стабилизирующим действием и влиянием
на динамические свойства системы.
При испытании малогабаритных образцов МТМ и образцов из
МММ частотный диапазон УИП должен быть не менее 50—100 Гц.
Ю1

Применение транзисторного УМ позволяет получить необходимую
амплитудную, частотную и переходную характеристики.
В общем случае выбор режима работы выходного каскада
(ВК) УМ определяет /построение функциональной схемы управляе-
мого источника питания намагничивающей обмотки. Наиболее эконо-
мичная работа транзисторного ВК достигается в режиме класса Д,
однако применение стабилизаторов и фильтров в цепях питания
значительно снижают к. п. д. такого УИП. Кроме того, при нагрузке
с малой постоянной времени ти=/н/#н появляются пульсации тока,
а следовательно, и намагничивающего поля.
Рис. 4-13. Принципиальная схема усилителя мощности.
Один из вариантов разработанного УИП к установке МИС-1
состоит из транзисторного усилителя мощности, выходной каскад
которого работает в режиме класса АВ, и источника питания к не-
му. Структурная схема УИП приведена на рис. 4-12,6, где ЯУ —
предварительный усилитель; ВК— выходной каскад; ЭМ — электро-
магнит; ОС — звено обратной связи; ИП — источник питания уси-
лителя.
В ИП входят: силовой трехфазный трансформатор, два силовых
пыпрямителя для литания ВК с выходным напряжением u2, два
выпрямителя и два параметрических стабилизатора для питания ПУ
с выходным напряжением ui. Применение в силовых выпрямителях
схемы Ларионова, для которой характерны малые пульсации, позво-
лило отказаться от применения фильтров в сильноточных цепях.
Для стабилизации коэффициента преобразования УИП усилитель
мощности охвачен отрицательной обратной связью по току, что
позволяет использовать нестабильное напряжение для питания ВК;
при этом можно отказаться от применения стабилизаторов напря-
жения. В этом случае коэффициент стабилизации о> тока электро-
т

магнита при нестабильности питающего напряжения L/2 равен!
Принципиальная - схема разработанного УИП приведена на
рис. 4-13 (схема источника питания УМ на рисунке не показана).
ПУ представляет собой пятикаскадный усилитель на транзисторах
ti—Г8 с верхней граничной частотой /=60 кГц, который обеспечи-
вает необходимую величину коэффициента усиления (&п.у=20 ООО)
для введения расчетной глубины обратной связи с целью получения
необходимых точностных параметров УИП. Первый каскад для по-
лучения, минимального дрейфа «нуля» выполнен по схеме дифферен-
циального УПТ с несимметричным входом на кремниевых планарных
транзисторах. Каскад на транзисторе т8 служит для согласования
выхода ПУ со входом В К.
Выходной каскад представляет собой усилитель тока, в выход-
ную цепь которого включены нагрузка ZM и резистор обратной свя-
зи ifto.c Для получения заданной мощности в нагрузке применено
параллельное включение шести транзисторов типа КТ802А в каждом
плече В К.
Так как применение в ВК разделительных реактивных элементов
на инфранизких частотах затруднено, то для обеспечения выбранно-
го режима применено включение транзисторов с дополнительной
симметрией и питанием ВК от двухполярного источника напряже-
ния.
Выбранное построение схемы транзисторного УМ одновременно
позволяет сравнительно просто решить вопрос устойчивости усили-
теля. Действительно, один из методов обеспечения устойчивости при
наличии обратной связи состоит в выборе необходимого соотноше-
ния постоянных времени каскадов усилителя. Без введения дополни-
тельных цепей коррекции это достигается путем выбора одного
узкополосного каскада, который дает в пределах полосы пропуска-
ния фазовый сдвиг ф<90°, а остальные каскады должны быть ши-
рокополосные, чтобы суммарный фазовый сдвиг их достигал ф = 90°
на более высокой частоте.
Узкополосным каскадом в данном устройстве является ВК,
а остальные каскады, входящие в ПУ — широкополосные с суммар-
ной постоянной тш=15 мкс. При этом допустимая глубина обрат-
ной связи равна:
k — коэффициент запаса по усилению; п — число цепей и каскадов,
способных искажать фазу сигнала.
В результате исследования разработанного УИП были получены
следующие экспериментальные данные:
ш2
Т7Г д/н-
тш 2{п — 1)&'
постоянная времени узкополосного каскада;
Максимальное напряжение входного сигнала, В ; . .
Максимальный ток нагрузки, А '. . .
Диапазон усиливаемых частот при активной нагрузке,
кГц
Выходная мощность, Вт
±0,4
22
0—10
350
103

Нестабильность коэффициента преобразования, % . . 0,2
Нелинейные искажения при работе на электромагнит,
% , Меньше 1,5
Временной дрейф нуля, мА . . . . Меньше 3
Величина пульсаций в нагрузке, мА Меньше 2
Коэффициент полезного действия 0,58
Разработанный УИП используется в автоматических установках
МЭИ для испытания малогабаритных образцов МТМ и для испыта-
ния низкокоэрцитивных ферромагнитных материалов.
При испытании высококоэрцитивных МТМ на основе сплавов
редкоземельных металлов с кобальтом напряженность внешнего маг-
нитного поля должна достигать 3000 кА/м и больше.
ОС
Цуг
СУ
УВ
h(t)
эм
\СУ
\ВУР\
Рис. 4-14. Схема одного из вариантов тиристорного уп-
равляемого источника тока.
В электромагнитах напряженность магнитного поля более
2400 кА/м можно получить только за счет значительного увеличе-
ния намагничивающей силы, что в конечном итоге достигается за
счет увеличения мощности УИП до 10—20 кВт.
Кроме системы ЭМУ — генератор постоянного тока, такие мощ-
ности можно получить на тиристорных усилителях. Из двух извест-
ных схем построения УИП на тиристорах [55]: управляемого тири-
сторного ключа и управляемого выпрямителя — вторая схема обла-
дает большим диапазоном регулирования, повышенным к. п. д. и
более проста в исполнении. Недостатками УИП, выполненных по
схеме управляемого выпрямителя, являются ограниченный динамиче-
ский диапазон (в основном за счет инерционности цепи управле-
ния) и сравнительно большой коэффициент пульсаций.
В разработанном УИП по схеме с управляемым выпрямителем
с целью уменьшения пульсаций применены мостовая^ трехфазная
схема выпрямителя и жесткая отрицательная обратная связь по
току нагрузки. Структурная схема УИП приведена на рис. 4-14.
Принцип работы схемы следующий: разность напряжений задающего
генератора 1/3.г и обратной связи U0.c, усиленная усилителем, по-
дается на схему управления су тиристорным выпрямителем ув.
Реверс тока нагрузки осуществляется схемой управления бур
в момент прохождения U3.r через «0». Схема управления выполнена
по вертикальному принципу с использованием генератора пилообраз-
ного напряжения и управляемого формирователя импульса [55].
В тиристорных усилителях такого типа получить пульсации тока
нагрузки ниже 3—5% практически не удается.
104

Глава пятая
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Функциональное назначение измерительных каналов в устройст-
вах для испытания магнитных материалов сводится к измерению
индукции и напряженности магнитного поля исследуемого 'Материа-
ла.' Входная величина, несущая информацию о магнитном состоянии
объекта, преобразуется в электрическую величину, которая обычно
требует дополнительного .преобразования (усиления, интегрирования,
дифференцирования и др.), необходимого для приведения в действие
намагничивающего и регистрирующего устройств. Поэтому к каждо-
-му функциональному узлу, входящему в измерительную систему,
предъявляется требование преобразовывать и передавать информацию
с минимально возможными искажениями. Трудность решения этой
задачи во многом определяется особенностями получения инфор-
мации о магнитном состоянии объекта испытания и необходимостью,
исследования большой номенклатуры типов и размеров образцов
магнитных материалов. Это обстоятельство вызывает необходимость
.при разработке намагничивающих устройств и средств измерения
производить:
1) анализ объекта исследования и его характеристик;
2) рациональный выбор типа и параметров первичных преобра-
зователей и их месторасположения;
3) анализ работы преобразующих устройств в статическом и
динамическом режимах;
4) согласование характеристик преобразующих устройств и объ-
екта исследования.
Новейшие приборы для магнитных измерений в общем случае
представляют собой комплекс сложных измерительных устройств.
Поэтому к анализу работы их, оценке погрешностей следует под-
ходить индивидуально в зависимости от вида физических явлений,
заложенных в основу работы прибора. При исследовании функцио-
нальной зависимости индукции от напряженности магнитного поля
испытуемого материала необходимыми условиями для получения
достоверных результатов измерения являются:
1) коллинеарность векторов индукции и напряженности магнит-
ного поля в зоне расположения первичных преобразователей;
2) соответствие измеряемых величин действительным в местах
расположения обоих первичных преобразователей
5-1. ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1. Индукционные преобразователи. Принцип работы простейшего
первичного преобразователя, индукционного типа основан на воз-
никновении э. д. с. в витках измерительной катушки при измене-
нии магнитного потока. Если магнитное поле однородно в объеме,
занятом катушкой, а плоскости витков перпендикулярны вектору
магнитной индукции В, то наведенная э. д. с. выражается формулой
где w — число витков измерительной катушки; .S — площадь сечения
Измерительной катушки.
Как известно, в воздухе индукция магнитного поля В0 связана
с. напряженностью Н0 соотношением B0—\ioHo.
e=—wSE,
(5-1)
8-841
105

Следовательно, индукционная катушка в зависимости от места
расположения является первичным преобразователем индукции или
напряженности магнитного поля в электрическую величину.
При измерении индукции магнитного поля образца магнитного
материала измерительная катушка наматывается непосредственно
на образец вблизи нейтрального сечения; при измерении напряжен-
ности поля последняя- располагается на поверхности испытуемого
образца (катушка поля, потенциалометр).
Из выражения (5-1) вытекает, что чувствительность индукцион-
ного первичного преобразователя определяется числом витков, габа-
ритами измерительной катушки и скоростью изменения индукции
(напряженности магнитного поля) в исследуемом объекте. При
испытании материалов в квазистатическом режиме перемагничива-
ния скорость изменения индукции и напряженности магнитного поля
ограничивается допустимой составляющей методической погрешно-
сти за счет инерционного действия вихревых токов. Увеличение
чувствительности первичного преобразователя путем увеличения чис-
ла витков и площади сечения измерительной катушки ограничено
сильным влиянием на результат измерения погрешностей, обуслов-
ленных неоднородным распределением индукции и напряженности
магнитного поля в объеме расположения первичного преобразовате-
ля, и наличием воздушного зазора между испытуемым образцом и
измерительной катушкой. Все это еще в большей степени усложня-
ется при испытании высококоэрцитивных малогабаритных магнитов.
Разность сечения испытуемого образца и измерительной катушки
индукции, соотношение поверхностей образца и измерительной ка-
тушки поля вносят значительную неопределенность в оценку погреш-
ностей, обусловленных вышеупомянутыми факторами.
Решая задачу увеличения чувствительности индукционного пре-
образователя, необходимо учитывать трудоемкость нанесения изме-
рительной катушки индукции на каждый образец, подлежащий
испытанию.
Таким образом, возникает необходимость разработки первичных
преобразователей, отвечающих требованиям высокой точности пре-
образования магнитных величин в электрические и автоматизации
процесса подготовительных операций. Этим требованиям в значи-
тельной степени удовлетворяет компенсационный преобразователь
коаксиального типа [54]. Индукционные преобразователи «5» и
«Я» коаксиального типа конструктивно выполнены в одном блоке.
Для обеспечения высокой точности преобразования поля преобразо-
ватель «Б» кроме основной кольцевой обмотки имеет дополнительную
компенсирующую, а преобразователь «Я» выполняется в виде коак-
сиальной катушки, состоящей из двух кольцевых обмоток с одинако-
вым числом витков, соединенных встречно-последовательно. Электри-
ческая схема преобразователей «В» и «Я» приведена на рис. 5-1.
Конструкция корпуса, на который наматываются измерительные об-
мотки, представлена на рис. 5-2.
Основная кольцевая обмотка датчика «В» Wb наносится на
внутренний каркас из немагнитного материала.
Компенсирующая катушка датчика1 «В» состоит из двух коль-
цевых обмоток wkb, одна из которых наносится на внутренний,
а другая на наружный каркасы из немагнитного материала.
Коаксиальная катушка датчика «Я» wH состоит из двух коль-
цевых обмоток, одна из которых наносится на внутренний, а другая
на наружный каркас,
105

Расстояние А (рис. 5-2) под намотку витков на каркас опре-
деляется по формуле
А= ^Макс^п"^"'
ГДе Шмакс — максимальное число витков в слое; kY — коэффициент
укладки; dn — диаметр провода.
При вычислении А следует учитывать соотношение
Л<0,7/Об,
где /об — длина образца.
Рис. 5-1. Рис. 5-2.
Рис. 5-1. Электрическая схема индукционного преобразователя поля
коаксиального типа.
Рис. 5-2. Эскиз конструкции корпуса коаксиального преобразователя
поля.
/ — плата; 2 — наружный каркас; 3 — внутренний каркас.
Рис. 5-3. Схема преобразователя с зависи-
мой компенсацией (а) и электрическая экви-
валентная схема (б).
В случае, если А окажется больше 0,7/Об, обмотка выполняется
многослойной.
Преобразователь «в», представленный на рис. 5-1, имеет неза-
висимую компенсацию «паразитного» потока. Преобразователь с за-
висимой компенсацией не имеет компенсирующей катушки, а ком-
пенсация осуществляется по схеме рис. 5-3,а. В соответствии с рас-
четной схемой, приведенной на рис. 5-3,6, и учитывая, что выход
8* 107

обмотки датчика подсоедйняе?ся обычно к усилителю с большим
входным сопротивлением, можно записать:
// _ (£ki — ек2) R,
^вых - ев - Ri + д2 + ^ + Га , (5-2)
где еВу екЬ ек2 — э. д. с, возбуждаемые соответственно в измери-
тельной обмотке, в компенсирующей обмотке, располагаемой на
наружном каркасе, и в компенсирующей обмотке, располагаемой
на внутреннем каркасе; -/?=/?i-|-J?2— сопротивление потенциометра;
Ti, г2 — сопротивления компенсирующих обмоток.
Для полых магнитов кольцевой формы с сечением 5М каждая
э. д. с. в (5-2) может быть записана в следующем виде:
еВ = — wb (smB + snV*0Hн + SnV<oHп)» (5-3)
ек = - wK (SMB + S'>0tfH + Sn^QHn)9 (5-4)
ек2 = - юк (SMB + S'Hu0tf н + Snlx0//n), (5-5)
где В — индукция в материале образца, SB — площадь поперечного
сечения, образованная наружной поверхностью образца и измери-
тельной обмоткой датчика; II в — напряженность поля над наружной
поверхностью образца; Sn — площадь поперечного сечения полой ча-
сти образца; Яп — напряженность поля в полой части образца;
S'h — площадь поперечного сечения, образованная наружной по-
верхностью образца и компенсирующей обмоткой, расположенной
на наружном каркасе; S"H — площадь поперечного сечения, образо-
ванная наружной поверхностью образца и компенсирующей обмот-
кой, расположенной на внутреннем каркасе.
Подставляя (5-3), (5-4) и (5-5) в (5-2), получаем:
С/ВыХ = &'БОм# + WB\x0 (5Н/УH + bnrtп) — ~F~\T2 H'
(5-6)
Из (5-6) следует, что при условии
#i(S'H — S"h) •
wb (shHh + snHn) = я'к ^_|_ri_|_r2 Hн
будем иметь Ubux=WbSmB.
В частном случае при 5П=0 (сплошной цилиндр) (5-6) примет
вид:
«>А = WK R + ri+r2 >
откуда
(R + г г + г2)
^1== wK(S'H — S"H) -kbkSu> (5"?)
где кв к — постоянная датчика индукции с компенсирующим устрой-
ством.
Из (5-7) видно, что сопротивление Ri, с которого снимается
сигнал, пропорциональный Ян, зависит от разности площадей
поперечного сечения сплошного магнита и измерительной обмотки
датчика. (Поэтому датчик индукции с компенсирующим устройством
можно применять при испытаний'образцов с различной площадью
108

поперечного сечения. Величина сопротивления Ri при этом .вычисляв
ется по (5-7) и устанавливается по лимбу, проградуированному
в единицах площади 5Н. Для увеличения точности компенсирующего
устройства целесообразно применять многооборотный потенциометр,
число оборотов которого в зависимости от Su можно определить но
формуле
п — 360 ^к5н,
(5-8)
0?
где а — рабочий угол многооборотного потенциометра.
По известной площади поперечного сечения образца и измери-
тельной обмотки вычисляют площадь 5Я и по (5-8) находят число
оборотов п, при котором обеспечивается пропорциональность выход-
ного сигнала датчика скорости изменения индукции в сплошном
магните.
Для полых образцов условие (5-6) может выполняться только
при ЯН=ЯП. Исследования топографии поля снаружи и внутри
полой части кольцевых образцов,
помещенных в электромагнит, по-
казали [56], что отличие Ян от
На не превосходит 1%.
2. Гальвано магнитные преоб-
разователи. Под гальваномагнит-
ными явлениями понимают ряд
вторичных эффектов Холла и Гаус-
са, возникающих при помещении
полупроводника стоком в магнит-
ное поле. Эти явления лежат
в основе работы' многих прибо-
ров, служащих для измерения индукции и напряженности магнит-
ного поля.
Пластину из полупроводника, в которой наблюдается эффект
Холла, называют преобразователем Холла (ПХ). Под чувствитель-
ностью ПХ понимают э. д. с, возникающую в пластине с заданным
током / при помещении ее в магнитное поле Я, Sn=dex/dH.
Чувствительность реальных преобразователей зависит не только
от постоянной Холла и толщины пластины, но и от соотношений
размеров пластины и электродов. Поэтому выходной сигнал преоб-
разователя Холла удобно характеризовать соотношением
Рис. 5-4. Эквивалентная схема
преобразователя Холла.
U
:Y/// = Y —//,
(5-9)
где у — чувствительность ПХ; гт — сопротивление между токовыми
электродами- / — ток возбуждения ПХ; U — напряжение возбужде-
ния ПХ.
Основные требования, предъявляемые к ПХ как первичному
преобразователю индукции или напряженности магнитного поля, при
испытании магнитных материалов в условиях медленно изменяюще-
гося поля заключаются в обеспечении линейной зависимости ех=
=/(Я), термостабильности амплитудной характеристики, малого
уровня помех на выходе. Линейность преобразования в свою оче-
редь зависит от уровня сигнала на выходе, режима работы ПХ.
Для анализа влияния режима работы на линейность амплитудной
характеристики воспользуемся эквивалентной схемой ПХ (рис. 5-4),
109

электрическое состояние которой описывается уравнениями
где £/, /, Uл, /н — значения, соответствующие входным и выходным
напряжениям и токам; гх — сопротивление между холловскими
электродами; ув — чувствительность ПХ, соответствующая вторично-
му эффекту Холла; RB=^UH/IH — сопротивление нагрузки ПХ.
Величины у и "Yb изменяются при изменении напряженности
магнитного поля. Одновременно изменяются rt и гх. Математическое
описание этих зависимостей достаточно сложно, однако для анализа
поставленного вопроса можно воспользоваться приближенными фор-
мулами [37]
r* = /?Te(l+c#»)f
'x = *xo(1 + c
Г2), \
Я2), /
(5-11)
где Ято и Rxо — сопротивления rt и гх при #=0; с — коэффициент,
зависящий от свойств материала ПХ, его размеров и формы.
Решая совместно (5-10) и (5-11), получаем соотношения, харак-
теризующие работу ПХ в режиме заданного напряжения и задан-
ного тока:
Uh ~ RhRto (1 + сН*) +RX0 RTQ (1 + сН») + YYb#2 ' (b-U>
U"~ RH + Rxo{l + cH*) ' V-™>
Анализируя эти зависимости, можно сделать следующие вы-
воды:
1. Погрешность нелинейности при работе ПХ в режиме задан-
ного тока значительно меньше, чем при работе его в режиме за-
данного напряжения, .при прочих равных условиях.
2. Для уменьшения погрешности нелинейности необходимо уве-
личение сопротивления нагрузки.
Что касается помех на выходе ПХ, определяемых термо-э. д. с.
и уровнем шумов, то они зависят в основном от материала ПХ.
Термо-э. д. с. уменьшают выбором условий работы. От материала
преобразователя зависят и такие важнейшие характеристики, как
чувствительность и термостабильность. Вследствие этого правиль-
ность выбора типа ПХ является определяющей при использовании
последнего в качестве первичного преобразователя магнитного поля.
Из анализа характеристик существующих в настоящее время типов
ПХ наименьший температурный коэффициент и наименьшую термо-
э. д. с. имеют преобразователи, выполненные из арсенида индия и
твердого раствора арсенида индия и фосфида индия. Эти ПХ име-
ют наименьший уровень шумов и практически невыпрямляющие кон-
такты, чем и объясняется их преимущественное использование при
точных измерениях.
Для уменьшения погрешности, вызванной зависимостью чувстви-
тельности ПХ от напряженности магнитного поля, предложено до-
статочно много способов линеаризации амплитудной характеристики.
Большим преимуществом ПХ перед индукционным преобразова-
телем является тот факт, что при построении преобразующих
110

устройств значительно снижаются требования к частотному диапа-
зону последних при перемагничивании испытуемых материалов в ре-
жиме постоянства скорости изменения индукции.
5-2. КАНАЛ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
В общем случае структурные схемы каналов измерения магнит-
ных величин, как и любого измерительного устройства, определяются
выбором типа первичного ^преобразователя (ПП) и регистрирующе-
го прибора.
При измерении в индукционным преобразователем необходимо
интегрирование сигнала. Габариты и месторасположение 1Ш опре-
Рис. 5-5. Структурная схема операционного усилителя ти-
па МДМ.
деляются результатами расчета топографии магнитного поля систе-
мы образец — электромагнит с учетом всегда существующих тех-
нологических зазоров между торцами испытуемого образца и
полюсами электромагнита. Накопленный опыт рационального изго-
товления и размещения ПП индукционного типа показывает, что
максимальное значение полезного сигнала составляет в большинстве
случаев 1—10 мВ. Действительно, рассматривая, например, образец
МТМ сечением ЮХЮ мм2 и задаваясь динамической погрешностью
перемагничивания бд=0,2%, что соответствует скорости изменения
индукции В=\ Т/с, при ВМ=1,5Т и wB=lO витков, получаем сиг-
нал первичного преобразователя ев—\ мВ.
Интегрирование и усиление таких сигналов связаны с необхо-
димостью применения точных измерительных преобразователей.
Наиболее совершенные разработки в этой области базируются на
использовании транзисторных операционных усилителей АВМ [56].
Подобные усилители обычно выполняются по типовой структурной
схеме, изображенной на рис. 5-5. Схема имеет два канала усиления:
верхний канал является высокочастотным и подключается к входной
цепи через разделительный конденсатор с%\ нижний канал — узко-
111

полосный. Его частотная характеристика ограничена несущей ча-
стотой модуляции и постоянной времени фильтра.
Технически? данные операционного
усилителя [55J
Выходное напряжение, В
Ток нагрузки, мА
Коэффициент усиления
Частота неискаженного сигнала, Гц
Входной ток, А
Дрейф за 6 ч работы, мкВ ....
Температурный дрейф, мкВ/°С . .
4-50
±20
106
500
ю-8
200
15
Экспериментальное исследование усилителя в режиме интегри-
рования показало, что скорость нарастания дрейфа не превосходит
0,2 мВ/с. Погрешности интегрирования, вызванные нестабильностью
и нелинейностью функции преобразования, ввиду большого коэффи-
циента усиления разомкнутой системы пренебрежимо малы. Выход-
ные параметры приведенного операционного преобразователя в до-
статочной степени отвечают требованиям регистрации результатов
измерения на прецизионных самописцах типа ДРП.
Уровень входного сигнала интегратора определяется точностью
и временем интегрирования, которое необходимо для получения пол-
ной информации о свойствах испытуемого образца.
Для определения времени интегрирования необходимо учиты-
вать частотную характеристику современных самопишущих приборов
(у приборов типа ДРП она ограничена щ значением 0,5 Гц) и спек-
тральный состав исследуемого сигнала (номер высшей гармоники
сигнала приблизительно равен 20). В этом случае первая гармоника
исследуемого сигнала будет соответствовать 0,02 Гц, что равносиль-
но периоду циклического перемагничивания 7=50 с. С учетом того,
что кроме предельной СПГ в отдельных случаях требуется реги-
страция кривой намагничивания, энергии магнитного поля и кривых
возврата, полное время непрерывной работы интегратора оценивает-
ся 100—200 с. Связь входного сигнала с допустимой погрешностью
интегрирования би может быть выражена так:
где i/др — скорость нарастания дрейфа; Ги — время интегрирования.
Накопленная погрешность интегрирования дрейфа может в не-
сколько раз превосходить входной сигнал.
Условия рационального распределения погрешностей измерения
индукции вызывают необходимость предварительного усиления сиг-
нала первичного преобразователя, основной задачей которого явля-
ется обеспечение возможно меньшей погрешности преобразования.
Очевидно, что измерительный усилитель (ИУ) должен обладать
весьма высокой чувствительностью при полосе пропускания до не-
скольких десятков герц. Большинство ИУ, предназначенных для
усиления малых сигналов в инфранизком диапазоне частот, облада-
ют либо высокой чувствительностью при полосе пропускания менее
одного герца, либо достаточным быстродействием, но малой чувстви-
тельностью. При построении чувствительных усилителей малых сиг-
налов инфранизкого диапазона частот широко используются эдек-
(5-14)

трохмеханические Контактные и гальванометричеекие преобразова-
тели.
Гальванометрические преобразователи. успешно применяются
для усиления сигналов малого уровня [38, 50]. Наибольшее рас-
пространение получили фотоэлектрические преобразователи (ФГУ),
выгодно отличающиеся малым уровнем шумов и большим коэффи-
циентом преобразования. Однако они обладают и серьезными не-
достатками, основными из которых являются: ограниченный частот-
ный диапазон, высокая чувствительность к механическим воздейст-
виям. Проектирование ИУ на базе ФГУ сводится в основом
К(См})
7,2 \ I «Ы
0 10 20 30 40 50 60 си ' 0 5 10 Гц
а) 6)
Рис. 5-6. Расчетная амплитудно-частотная (а) и экспериментальная
характеристики ФГУ (б).
к выбору и расчету его структурной схемы, параметров и характе-
ристик, при которых требуемые динамические и эксплуатационные
свойства обеспечиваются при применении простых и надежных техни-
ческих средств. Так как основным недостатком фотоэлектрических
преобразователей является высокая восприимчивость к вибрациям
и сотрясениям,- то выбор менее чувствительного усилителя, например
Ф117/11, позволяет создать работоспособный усилитель без исполь-
зования специальных устройств для его амортизации. Так как каче-
ство измерительного усилителя определяется его статическими и
динамическими характеристиками, то для расчета основных его па-
раметров необходим анализ частотных характеристик всего усили-
тельного тракта.
Из проведенного анализа [25] и полученных АЧХ (рис. 5-6,а, б)
для разработанного усилителя с фотоэлектрическим преобразова-
телем типа Ф117/11 установки АРСПГ-3 предельное значение коэф-
фициента (&рРо.с)пр в области устойчивой работы, найденное из
условия обеспечения нестабильности к0.с, равной 0,5%, равно 250.
Отклонение АЧХ усилителя в диапазоне ±5% при изменении
коэффициента обратной связи от 850 до 1050 обеспечивает пере-
дачу сигнала в частотном диапазоне 0—5 Гц (рис. 5-6,а). Приве-
денные на рис. 5-6,6 результаты экспериментальных исследований
подтверждают правильность расчетов.
ИЗ

Накопленный опыт эксплуатации ИУ, построенных на базе ФГУ,
теоретический анализ устойчивости и динамических свойств усили-
теля, охваченного жесткой отрицательной обратной связью, пока-
зывают, что этот тип усилителей может быть с успехом рекомендо-
ван для усиления сигналов малого уровня, но с ограниченным ча-
стотным диапазоном (единицы герц).
При испытании малогабаритных образцов чувствительность
индукционных преобразователей может быть повышена в значитель-
ной степени за счет увеличения скорости изменения индукции (ча-
стоты циклического перемагничивания). При этом частотный спектр
измеряемого сигнала увеличивается и возникает необходимость про-
ектирования ИУ, обладающего высокой чувствительностью и ши-
роким частотным диапазоном. В качестве таких ИУ в последнее
время широко применяются транзисторные усилители постоянного
тока, построенные по принципу МДМ.
Погрешности подобных усилителей в основном определяются
напряжением разбаланса модулятора, внешними помехами, преоб-
разованными в амплитудно-модулированный сигнал, помехами от
источников питания. Причем нестабильность коэффициента усиле-
ния, погрешности, вносимые входной и выходной цепями, значи-
тельно снижаются при введении глубокой отрицательной обратной
связи, а температурный и временной дрейфы устраняются создани-
ем модулятора на интегральных микросхемах.
5-3. КАНАЛ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Структурная схема измерителя напряженности магнитного поля,
техническая реализация его с использованием первичного преобразо-
вателя индукционного типа принципиально ничем не отличаются от
измерителя индукции, описанного выше.
Использование гальваномагнитного преобразователя в значи-
тельной степени упрощает структуру измерителя, однако выдвигает
задачу отыскания новых схемных решений, отвечающих требова-
ниям высокой точности и автоматизации процесса измерения.
Известен целый ряд приборов [3, 6, 38], основанных на исполь-
зовании эффекта Холла, однако большинство из них непригодны
для автоматического измерения непрерывно изменяющихся магнит-
ных полей с высокой точностью. Как указывалось, в полях от 0,1 Т
и выше линейность характеристики Ux(H) Холла нарушается из-за
зависимости постоянной Холла, входного и выходного сопротивле-
ний преобразователя от индукции. Большое количество опубликован-
ных работ, посвященных использованию эффекта Холла, не дают
полного ответа на ряд вопросов, связанных с преодолением труд-
ностей при проектировании автоматического измерителя медленно
изменяющегося поля, основным из которых является обеспечение
линейности амплитудной характеристики.
Одним из известных способов линеаризации характеристик изме-
рителя является введение нелинейного звена [НЗ], компенсирующе-
го нелинейность первичного преобразователя. Этот способ, как наи-
более простой и вполне удовлетворяющий требованиям точности
всего устройства, может быть рекомендован при разработке канала
измерения напряженности магнитного поля.
Структурная схема измерителя представлена ha рис. 5-7,а, где
ПХ — преобразователь Холла; У — усилитель переменного тока;
114

СД — синхронный детектор; ФНЧ — фильтр низких частот; ОС—
звено обратной связи; ГСН — генератор сигнала несущей частоты.
На преобразователь Холла (ПХ) действует медленно изменяю-
щееся измеряемое магнитное поле Н. Возбуждение преобразователя
осуществляется переменным током генератора ГСН i(t) =
=1м cos(cDo*+cp)-
Здесь ПХ играет роль модулятора, на выходе которого имеет
место амплитудно-модулированный сигнал ux=\HIM cos((Do*-Hp).
Этот сигнал усиливается усилителем переменного тока и детектиру-
6)
Рис. 5-7. Функциональная схема измерителя напряженности поля на
базе преобразователя Холла.
а — с использованием пробного сигнала; б — с нелинейным звеном обратной
связи усилителя; в — структурная схема с нелинейной обратной связью.
ется синхронным детектором, управляемым на частоте возбуждения
ПХ. На выходе синхронного детектора включен фильтр низких ча-
стот, подавляющий переменную составляющую демодулированного
сигнала.
Включение НЗ по отношению к ПХ и усилительно-преобразова-
тельному устройству принципиально может быть выполнено в трех
вариантах: 1) НЗ включено между ПХ и усилителем; 2) НЗ вклю-
чено на выходе усилителя; 3) НЗ включено в цепь ООС, охваты-
вающей усилитель.
Применение первого варианта в данном случае нежелательно
вследствие малой мощности сигнала ПХ, недостаточной для нор-
мальной работы НЗ. Недостатком второго варианта является низ-
кий к. п. д. Схема включения ИЗ в цепь ООС лишена указанных
недостатков, а усложнения, связанные с обеспечением необходимых
динамических свойств усилителя с переменным коэффициентом,
вполне преодолимы из-за относительно небольшой вариации послед-
него. С целью определения условий, которым должно удовлетво-
рять нелинейное звено, рассмотрим упрощенную структурную схему
измерителя (рис. 5-7,6).
Схема измерителя состоит из ПХ с коэффициентом передачи km
и усилителя с коэффициентом усиления kY, охваченного нелинейной
ООС с коэффициентом передачи &н.з. Коэффициент преобразования
замкнутой системы имеет вид:
Л5

где kM, &н.з — в общем случае нелинейные функции, зависящие соот-
ветственно от Я и Uy.
При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя,
когда &н.з£у>1, &=&м/&н.з. Следовательно, для получения линейной
зависимости £/у=/(Я) функция преобразования нелинейного звена
&н.з(£/у) должна иметь вид функции преобразования первичного
преобразователя км (Я).
Для создания нелинейных звеньев с заданной функцией преоб-
разования наиболее эффективно применение кусочно-линейной ап-
проксимации этой фукции с реализацией в виде многозвенных цепо-
чек с диодами [57]. При этом величина каждого линейного участка
и число участков определяются по задаваемой погрешности аппрок-
симации.
Для анализа динамики измерителя напряженности магнитного
поля в соответствии с функциональной схемой на рис. 5-7,6 приведе-
на структурная схема линеаризованной системы, где приняты сле-
дующие обозначения:
ku=ylyi — коэффициент передачи модулятора (ПХ); WT(p) —
передаточная функция усилителя переменного тока; WH.3(p) — пере-
даточная функция нелинейного звена; kK — коэффициент передачи
синхронного детектора; W$ (р) — передаточная функция фильтра
низких частот; £i(/)=cos ((Оо^+фО, e2(t)=cos (сооН-фг) —опорные
функции соответственно модулятора и синхронного детектора.
Основное уравнение, описывающее динамику системы, имеет
вид:
вых (Р) =
Щ(р + 1*о)е-* (ф2~У1)
1 + wR (р + Ю^н.з(р + /Ч)
(5-16)
Поскольку рассматриваемая система обладает приблизительно
постоянной амплитудной и линейной фазочастотной характеристика-
ми в рабочем диапазоне частот, т. е. в полосе «о—(Ом.<о)<соо+
+сом (где (Ом — верхняя.граница частотного спектра модулирующе-
го сигнала), она может быть представлена передаточной функцией
1 k k k
W(P)=~2- 1+^.э ГФ M cos К* - **) ~ 9J e"p, (5-17)
где Go — угол сдвига фазы на частоте coo; т — наклон фазочастот-
ной характеристики.
Анализ динамики измерительного канала, обладающего переда-
точной функцией в соответствии с (5-17), проведенные эксперимен-
тальные исследования в процессе эксплуатации устройства в диапа-
зоне полей до 2,5 Т при частоте циклического изменения поля
Гц [56] позволили определить точностные параметры канала
«Я». Основная погрешность преобразования сигнала не превосходит
±0,5%. Дополнительная погрешность от изменения температуры
окружающей среды в рабочем объеме измерительного зонда от 20
до 35°С и нестабильности питающей сети в пределах ±10% не
превышает ±0,5%.
116

5-4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ
МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Магнитоизмерительные системы, основанные на использовании
метода непрерывного медленно изменяющегося поля, позволяют
обеспечить с высокой точностью и скоростью измерение и регистра-
цию магнитных характеристик ферромагнитных материалов в виде
зависимостей В(Н). Однако для получения полной информации
о свойствах материала необходимо иметь достоверные данные для
дополнительных функциональных зависимостей: /(#),№(#), магнит-
ной проницаемости \х(В) или \i(H)t а также характерные параме-
тры — точки зависимостей В (//) и магнитная проницаемость в от-
дельных областях. К этим параметрам относится следующие:
1) магнитная индукция: насыщения — BSy остаточная — Вг и
в точке максимальной удельной энергии — Ва\
2) напряженность поля, соответствующая насыщению — Ям,
коэрцитивной силе по В—Нсв, коэрцитивной силе по / — Hcj,
максимальному значению удельной энергии —
3) максимальная удельная магнитная энергия — Ww&Kc\ гисте-
резисные потери — АЯГ;
4) магнитная проницаемость: дифференциальная — р,д, началь-
ная— \1Пу максимальная — 1хМакс, средняя на кривых «возврата» —
Указанные параметры и характеристики определяются для нор-
мальных условий, а также в диапазоне Температур, давлений и дру-
гих воздействий. Кроме того, часто возникает необходимость про-
изводить статистическую обработку результатов измерения и вычис-
ления в зависимости от химического состава, термообработки, на-
пряжений материала.
Получение необходимого объема информации о свойствах фер-
ромагнитных материалов связано с выполнением ряда вычислитель-
ных операций (сложение, умножение, деление, дифференцирование,
интегрирование, отыскание максимума функции и др.). Эти опера-
ции могут быть осуществлены:
1) автономно с помощью преимущественно аналоговых счетно-
решающих устройств и фиксацией отдельных параметров на реги-
стрирующих устройствах (двухкоординатные самописцы, цифропе-
чать, цифровая индикация и т. п.);
2) в информационно-измерительной системе (ИИС) с использо-
ванием цифровой ЭВМ.
В обоих случаях необходима предварительная обработка элек-
трических сигналов измерительных каналов с целью определения на-
чальных условий измерения и первичного анализа измерительной
информации для получения команд на вычисление и запоминание по
заданной программе.
Информационно-измерительная система объединяет в одно целое
автоматическое намагничивающее устройство, обеспечивающее опти-
мальный режим перемагничивания, а также измерительные, преоб-
разующие, счетно-решающие и регистрирующие устройства. Програм-
ма их работы определяется единым алгоритмом, реализуемым управ-
ляющим устройством.
Попытки создания подобных систем в СССР и за рубежом для
щенны. Так, ИИС, рассмотренная в [o»], предусматривает разделе-
ние процесса первичных измерений и определения характеристик и
получения характеристик
материалов были несовер-
117

параметров. Сначала производятся измерения, полученные данные
запоминаются, а затем вводятся в цифровую ЭВМ для расчета.
В ИИС, рассмотренной в [59], вводится преобразование выход-
ной информации в цифровую форму. Объем же информации ограни-
чен основными зависимостями В (Я) и точками Вг и Яс.
Измерительно-информационную систему целесообразно строить
таким образом, чтобы измерения и обработка результатов на цифро-
вой ЭВМ производились одновременно, так как такое построение
системы позволяет использовать цифровую ЭВМ для управления за-
данной программой испытаний, оперативного контроля и корректи
рования программы.
Первичное преобразование измерительной информации
Как известно, при исследовании образцов из ФММ в условиях
медленно изменяющегося поля первичная информация о свойствах
поступает в виде напряжений, пропорциональных В, I и Я, которые
преобразуются (усиливаются и интегрируются) до сигналов доста-
точного значения для нормальной работы последующих устройств
(регистратор, цифровая ЭВМ и др.). Так как при отсутствии намаг-
ничивающего тока намагниченность образца обычно не равна
нулю, а также может быть не равна нулю напряженность магнитно-
го поля в рабочем объеме, то напряжения на выходе измерительных
каналов «В» и «Я» имеют постоянные составляющие VB- и UHoi
ив (0 = kBB (t) + UBo, ин (t) = kHHl(t) + UHo. (5-18)
Напряжения UBq и UHq вызывают смещение регистрируемых зави-
симостей относительно начала отсчета и затрудняют дальнейшую
обработку результатов измерения, определение основных параметров
и ввод их на фиксирующее устройство или ввод в ЭВМ.
Получение нулевых начальных условий можно достичь тремя
способами.
Первый способ состоит в предварительном размагничивании
образца перед испытаниями. Этот способ технически реализуется
посредством размагничивания по симметричным частным циклам пе-
ремагничивания или размагничивание по кривой «возврата». Для
образцов из МТМ степень размагничивания может достигать в луч-
шем случае 2—4% от Вг в замкнутой цепи и до 0,5% от Вг в не-
полностью замкнутой цепи. В обоих случаях этот процесс занимает
сравнительно большое время.
Второй способ состоит в определении и компенсации начальных
напряжений UBq и UHq. Для реализации этого способа необходимо
иметь дополнительное напряжение, нулевой уровень которого неза-
висимо от начального магнитного состояния образца соответствовал
бы Я=0. Тогда, например, Uв находится из полусуммы
ив= 2
При использовании в качестве первичного преобразователя на-
пряженности поля преобразователя Холла компенсации Vн^ не тре-
буется, а для фиксации Я=0 вводится сравнивающее устройство.
Структурные схемы вариантов такого устройства представлены
на рис. 5-8, где СУ — сравнивающее устройство; БРП — блок ревер-
118

са поля; К\, Кг— ключи. Программа работы устройства по схеме
5-8,а состоит в следующем.
Допустим, что начальное магнитное состояние материала харак-
теризуется какой-либо точкой на оси индукции, например точкой Л
на рис. 5-9,а перемагничивание образца начинается с этой точки.
При достижении нулевого значения намагничивающего поля (точ-
ка 5 или 3) срабатывает сравнивающее устройство и включает
интегратор канала измерения индукции (ключ Кг разомкнут). Перо
Рис. 5-8. Схемы вариантов устройства для компенсации ненулевых
начальных условий.
Рис. 5-9. К пояснению принципа работы схем на рис. 5-8.
самопишущего прибора перемещается от точки / к точке 2 (или
к точке 4). При прохождении внешнего поля через максимум БРП
замыкает ключ Кг. Происходит запись петли гистерезиса, соответ-
ствующей участку 2—3—4.
В этом случае координатные оси СПГ совпадают с осями коор-
динат регистрирующего прибора, так как на восходящей ветви цик-
ла (1—2) коэффициент передачи интегрирующего устройства в 2 ра-
за меньше, чем на нисходящей (2—3—4).
В схеме рис. 5-8,6 включение интегратора в точке / (рис. 5-9,6)
производится БРП при достижении максимума поля, а уменьшение
в два раза постоянной интегрирования (включение ключа /Ст.и) при
достижении второго максимума (точка 2).
119

Глава шестая
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ МАГНИТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК ТИПА АРСПГ И МИС
6-1. АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР СТАТИЧЕСКИХ ПЕТЕЛЬ
ГИСТЕРЕЗИСА АРСПГ-3
Автоматический регистратор статических петель гистерезиса
(АРСПГ) предназначен для записи статических магнитных характе-
ристик МТМ и регистрации их в виде зависимостей B = f(H) —пол-
ной петли гистерезиса и кривых «возврата». Запись производится
в прямоугольной системе координат двухкоординатным регистрирую-
щим прибором. С соответствующими дополнительными устройствами
АРСПГ может применяться также для исследования статических
магнитных характеристик МТМ в широком диапазоне температур.
На рис. 6-1 представлен общий вид установки.
Технические данные; установки
Длина образца /0б, см 1,0—4,0
Площадь сечения образца 50б, см2 ........ 0,25—90
Диапазон остаточной индукции ВГУ Т 0,4—1,4
Диапазон коэрцитивной силы по индукции НсВ\
при длине образца до 4 см, кА/м 40—180
при длине образца до 1 см, к А/м 150—350
Максимальный допустимый ток электромагнита
при нагрузке 8—10 Ом и £=3 с, А 18
Длительность одного цикла перемагничивания, с 15
Смещение (дрейф) пера регистрирующего прибора
за время 200.с, мм . Не более +1
Максимальная погрешность измерения Вг и НсВ
петли гистерезиса образца, % 2
Воспроизводимость, % 0,2—0,3
Питание установки (измерительного блока, задат-
чика и регистратора) От однофазной сети
220 В, 50 Гц,
2 кВт
В комплект установки входят:
1) автоматический регистратор статических петель гистерезиса,
состоящий из измерительной стойки, функциональных узлов (инте-
грирующие усилители), панели управления и задатчика формы кри-
вой тока, узла питания;
2) электромашинный усилитель типа ЭМУ25А;
3) двухкоординатный регистрирующий прибор типа ДРП-2;
4) электромагнит сильных полей.
Структурная схема установки изображена на рис. 6-2. Установка
имеет две основные части:
намагничивающее устройство, состоящее из задатчика формы
кривой намагничивающего тока У, промежуточного усилителя 2,
управляемого источника тока 3, электромагнита 4, звена обратной
связи 11;
120

Рис. 6-1. Общий вид установки АРСПГ-3.
11
Рис. 6-2. Схема установки АРСПГ-3.
измерительное устройство, состоящее из преобразователей маг-
нитной индукции 5 и напряженности магнитного поля 6, измеритель-
ных усилителей 7, интеграторов 6\ двухкоординатного регистрирую-
щего прибора 10 и блока измерения удельной магнитной энергии 9.
6-2. АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР СТАТИЧЕСКИХ
ПЕТЕЛЬ ГИСТЕРЕЗИСА АРСПГ-4
Автоматический регистратор статических пе.тель гистерезиса
предназначен для записи статических магнитных характеристик вы-
сококоэрцитивных МТМ в виде зависимостей: В (Н) — предельного
и непредельных гистерезисных циклов и кривых «возврата». Запись
производится в прямоугольной системе координат двухкоординатным
регистрирующим прибором. На рис. 6-3 представлен общий вид уста-
новки, на рис. 6-4 — ее функциональная схема.

Рис. 6-3. Общий вид установки АРСПГ-4.
Технические данные установки
Длина образца /0б. см 0,5—5
Площадь сечения образца S06, см2 • . . 0,25—2
Диапазон остаточной индукции магнитных матери-
алов brt Т 0,4—1,4
Максимальная напряженность магнитного поля при
зазоре 6 мм, кА/м До 2800
-Максимальный допустимый ток электромагнита в
интервале At<3 с, А 30
Максимальная погрешность измерения Вг и /7с£?, % 0,2
Поле записи в прямоугольной системе координат,
мм2 300X400
122

Питание установки, измерительного устройства,
задатчика и регистратора 1 .... От однофазной се-
ти 220 В, 50 Гц
1 кВт
В комплект установки входят:
1) автоматический регистратор статических петель гистерезиса,
состоящий из измерительной стойки, интегрирующих усилителей, па-
нели управления и задатчика формы кривой тока, узла питания;
2) электромашинный усилитель типа ЭМУ 50 А;
Рис. 6-4. Схема установки АРСПГ-4.
3) двухкоординатный регистрирующий прибор типа ДРП-2;
4) электромагнит ЭМ-2 МЭИ.
Установка имеет две основные части:
намагничивающее устройство, состоящее из электромагнита 7,
задающего устройства 2, сумматора 2, управляющего устройства 5,
управляемого источника тока 4, блока самонастройки 8, звена обрат-
ной связи по В (12);
измерительное устройство, состоящее из датчиков магнитной
индукции 5 и напряженности магнитного поля 6, измерительных
усилителей 7, интеграторов 9, двухкоординатного регистрирующего
прибора 10 и блока измерения удельной магнитной энергии 11.
Измерительный усилитель имеет шесть пределов измерения.
Изменение коэффициента усиления осуществляется путем изменения
сопротивлений в цепи обратной связи с помощью переключателя.
Величина и кратность изменения коэффициента усиления выбраны
так, чтобы обеспечить оптимальное использование поля ДРП при
записи статических петель гистерезиса.
6-3. УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НИЗКОКОЭРЦИТИВНЫХ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МИС-1Н
Установка МИС-1Н предназначена для записи статических пе-
тель гистерезиса кольцевых образцов низкокоэрцитивных материалов.
Запись производится в прямоугольной системе координат на
двухкоординатном регистрирующем приборе типа ДРП. Структурная
схема установки приведена на рис. 6-5, где ЗУ— задающее устрой-
ство, формирующее намагничивающий ток; УМ— усилитель мощно-
сти; О — образец; У1 и У 2 — измерительные усилители; И — интегра-
9* 123

тор; ДРП — двухкоординатный регистрирующий прибор; ОС — звено
обратной связи по В.
Работа установки основана на принципе непрерывного медлен-
ного изменения намагничивающего тока. Оптимальный закон измене-
ния намагничивающего тока задается оператором вручную для каж-
дого образца, исходя из характера петли гистерезиса и обеспечения
B^const. Частота намагничивающего тока регулируется в пределах
от 0,005 Гц до 0,1 Гц.
дрп
Ряс. 6-5. Схема установки МИС-1Н.
Рис. 6-6. Общий вид макета установки МИС-1Н.
Задающее устройство выполнено на базе ферромагнитного
управляемого элемента. Характер изменения намагничивающего тока
во времени показан на рис. 2-26. Форма кривой тока в интервале
от 0 до ^создается в результате переходного процесса переброса
феррорезонансного элемента, а в интервале от t\ до ^ — благодаря
разряду конденсатора.
На установке можно определять частные и предельные петли
гистерезиса кольцевых образцов магнитомягких материалов.
Общий вид макета установки представлен на рис. 6-6, где / —
транзисторный усилитель мощности* 2 — задающее устройство, 3 —
измерительное устройство, 4— -образец и намагничивающая обмотка.
124

6-4. МАГНИТОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА МИС-1М МЭИ
Магнитоизмерительная установка МИС-1М предназначена для
исследования и контроля статических магнитных характеристик
высококоэрцитивных малогабаритных магнитов. Регистрация резуль-
татов измерения может осуществляться с помощью электронного
Рис. 6-7. Общий вид установки МИС-1М МЭИ.
1
J
U71 I
w
1д
12
Рис. 6-8. Схема установки МИС-1М МЭИ.
осциллографа при производственном контроле и двухкоординатного
регистрирующего прибора при лабораторных исследованиях. Общий
вид установки представлен на рис. 6-7.
Структурная схема установки изображена на рис. 6-8. Функцио-
нально устройство разделено на три основные части:
задающий генератор, состоящий из триггера /, двухполярного
источника опорного напряжения 2, сравнивающего устройства 3 и
нелинейного элемента 4\
125

намагничивающее устройство, состоящее из усилителя мощно-
сти 5 и электромагнита 6 с помещенным в него испытуемым образ-
цом 7;
измерительное устройство, состоящее из первичных преобразова-
телей индукции 8 и напряженности поля 9, усилителей 10 и 11,
интегратора 12 и регистрирующего прибора 13.
В комплект установки входят: измерительная стойка, усилитель
мощности, электромагнит ЭМ-1 МЭИ, двухкоординатный регистри-
рующий прибор типа ДРП-5, индикатор типа И-10.
Технические данные установки
Длина образца, /0б» см , • п по"п'ок
Площадь сечения образца S06> см2 0,02—0,25
Максимальная напряженность магнитного поля
электромагнита в зазоре 10 мм, кА/м 2000
Время записи петли гистерезиса, с более 10
Погрешность измерения Бг и НсВ при использова-
нии ДРП, о/0 Не более ±5
Питание установки:
измерительной стойки От однофазной
v сети 220 В, 50 Гц,
100 Вт
усилителя мощности От трехфазной
J сети 380 В, 50 Гц,
0,5 кВт
6-5. МАГНИТОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА МИС-1 МЭИ
Установка МИС-1 предназначена для записи статических магнит-
ных характеристик ферромагнитных материалов в виде предельных
статических петель гистерезиса, непредельных петель, первоначальной
и основной кривых намагничивания и кривых «возврата». Запись
Рис. 6-9. Общий вид установки МИС-1 МЭИ.
126

производится в прямоугольной системе координат двухкоордйнатным
регистрирующим прибором типа ДРП.
Установка обеспечивает автоматическое размагничивание образ-
цов и намагничивание постоянных магнитов. На рис. 6-9 представлен
общий вид установки.
Технические данные установки
Длина (диаметр) образца, см:
для МТМ 0,5—2
для МММ (кольцевого образца) Более 2
Площадь сечения испытуемого образца, мм2:
для МТМ : . . . . 25—400
для МММ (кольцевого образца) 10—400
Диапазон остаточной индукции магнитных матери-
алов Br, Т 0,4—1,5
Максимальная напряженность магнитного поля в
зазоре 6 мм, к А/м До 2800
Максимальный допустимый ток электромагнита, А До 30
Погрешность измерения Вг и Нс, % 1,5
Питание установки (измерительного устройства,
намагничивающего устройства, регистратора),
кВт От трехфазной
сети 380/220 В,
50 Гц
В комплект установки входят:
1) автоматический регистратор статических петель гистерезиса,
состоящий из измерительного блока (каналы «Я» и «Б»), намагни-
чивающего устройства, блока автоматического управления, блока
питания;
иас ^ I , U€
а)
и*
СУ
УНЭ
И
УМ
ЭМУ
ФП
БЯУ
ЭМ
0/77 УМ ^
\ЭМУ
6)
б,
1
к су
НдЛУ
ДРП
ДРП
Рис. 6-10. Схема установки МИС-1 МЭИ.
а — для испытания образцов МТМ; б — для испытания образцов МММ.
127

i) элёктромашйнный-усилитель типа ЭМУ 50 А;
3) двухкоординатный регистрирующий прибор ДРП-5;
4) электромагнит ЭМ-2 МЭИ;
5) устройство для намагничивания кольцевых сердечников из
МММ.
Схема установки для испытания МТМ изображена на рис. 6-10,а,
для испытания кольцевых образцов МММ — на рис. 6-10,6.
Установка имеет две основные части:
намагничивающее устройство, состоящее из блока автоматиче-
ского управления БАУ, суммирующего устройства СУ, контура само-
настройки, состоящего из фотопреобразователя ФП и управляемого
нелинейного элемента УНЭ, интегратора И, усилителя мощности УМ,
электромашинного усилителя ЗМУ,*'электромагнита ЭМ\
измерительное устройство, состоящее из измерительного канала
магнитной индукции «В», измерительного канала напряженности маг-
нитного поля «Я» и регистрирующего прибора ДРП.
6-6. ТЕРМОКАМЕРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ
МАГНИТОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ
ТЕМПЕРАТУР
Термокамера предназначена для записи статических магнитных
характеристик образцов МТМ в широком диапазоне температур на
установках АРСПГ-3, АРСПГ-4 и МИС-1.
Термокамера помещается .в рабочий зазор электромагнита, кото-
рый находится в обычных температурных условиях при изменении
температуры в термокамере. Регулирование температуры образца
производится регулятором, построенным на базе ВРТ-2.
Технические данные термокамеры
Диапазон регулируемых температур, °С —180-^—1-300
Точность регулирования температуры, °С . . . . +1
Длина образцов /0б» мм 10; 20
Площадь сечения образцов S0^f мм2 25—4Ш
Время установления любой температуры в задан-
ном диапазоне, ч Не более 2
Тепловые суммарные потери термокамеры при
температуре +350°С, Вт 150
Вакуум в полости между стенками термокамеры
поддерживается вакуумным насосом, мм рт. ст. 10"1—Ю-2
Мощность нагревательного элемента, Вт .... 450
Мощность вентилятора, Вт 8
Питание установки Однофазная сеть
220 В, 50 Гц
Устройство для создания температурного режима при испытании
образцов из МТМ представляет собой систему (рис. 6-11), состоя-
щую из термокамеры /, блока регулирования температуры 2 и испа-
рителя 3.
Термокамера представляет собой замкнутую по воздушному
тракту систему и состоит из следующих основных частей (рис. 6-12):
корпус /, крышка 2, дополнительные полюсные наконечники 7, обра-
зец 10, патрубок 5, вентилятор 4 с электродвигателем 5, нагрева-
тель 6, трубка 8 для^ подвода хладоагента, штуцер 11 для откачки
128

Рис. 6-11. Общий вид установки для испытания об-
разцов МТМ в интервале температур.
Рис. 6-12. Эскиз термокамеры.
воздуха из полости между стенками «внутреннего» и «наружного»
сосудов к'амеры, ребра жесткости 9.
Функциональная схема системы автоматического регулирования
температуры образца представлена на рис. 6-13. Она состоит из
тракта измерения, содержащего первичный преобразователь темпе-
ратуры У, измерительного устройства 2, канала регулирования
положительных температур, состоящего из регулятора 3, управляе-
мого источника питания 4, нагревательного элемента 5, канала регу-
лирования отрицательных температур, содержащего релейный уси-
литель 6, электромагнитный клапан 7, испаритель S, регулирующих
интенсивность поступления хладоагента 9 в термокамеру 10.
Для визуального контроля температуры образца имеется вспо-
могательное измерительное устройство, состоящее из термопары //,
усилителя постоянного тока 12 и индикатора 13.
129

12 НН 13
6
7
6
Рис. 6-13. Функциональная схема регулирования температуры
в рабочем объеме термокамеры.
С целью регулирования интенсивности испарения азота исполь-
зуется испаритель 3 (рис. 6-11), выполненный в виде дополнитель-
ного нагревательного элемента, помещенного в сосуд Дьюара.
В качестве первичных преобразователей температуры исполь-
зуются термопары типа медь-константан.

Список литературы
1. Магнитные измерения. М., Изд-во стандартов, 1969. 248 с.
Авт.: Е. Т. Чернышов, Е. Н. Чечурина, Н. Г. Чернышева, Н. В. Сту-
денцов.
2. Чечерников В. И. Магнитные измерения. М., Изд-во МГУ,
1969. 387 с.
3. Чечурина Е. Н. Приборы для измерения магнитных величин.
М., «Энергия», 1969. 168 с.
4. Пирогов А. И., Шамаев Ю. М. Магнитные сердечники для
устройств автоматики и вычислительной техники. М., «Энергия»,
1973. 263 с.
5. Методика испытания образцов магнитно-твердых материалов
при импульсном намагничивании. — «Измерительная техника», 1965,
No 1, с. 40—43. Авт.: Г. К. Ягола, В. И. Зингерман, М. И. Грабо-
вицкий и В. Н. Сепетый.
6. Февралева Н. Е. Магнитно-твердые материалы и постоянные
магниты. Киев, «Наукова думка», 1969. 232 с.
7. Тугарин В. Г., Сильванский И. В., Гринева В. В. Устройства
для определения магнитных характеристик и параметров магнитно-
твердых материалов, тенденция и направления развития. Обзоры по
электронной технике, вып. 1(191). М., «Электроника», 1974. 44 с.
* 8. Рейнбот Г. Технология и применение магнитных материалов.
М.—Л. Госэнергоиздат, 1963. 319 с.
9. Маркин П. П. Феррометр для испытания постоянных магни-
тов. — В кн.: Устройства для испытания магнитно-твердых материа-
лов. Киев, «Наукова думка», 1971, с. 113—118.
10. Шихин А. Я. Методы измерения магнитных свойств магнит-
но-твердых материалов и проблемы их развития. — «Труды МЭИ»,
1971, вып. 79, с. 1—8.
11. Capptuller Н. Vollautomatisches Magnetwerkstoff-Pruigerat
mit Analog — Digital — Wandlern. — «Ztschr. Instr.», 1962, H. 70,
№ 11, S. 112—115.
12. Шихин А. Я. Анализ намагничивающих систем и устройств
для испытания ферромагнитных материалов. Автореф. дис. на соиск.
учен, степени д-ра техн. наук. М., 1973. 45 с. (МЭИ).
13. Материалы к третьему НТС по проблемам магнитных изме-
рений и магнитно-измерительной аппаратуры. JT., ВНИИЭП, 1968.
80 с.
14. Мозетти и Сордо. Прибор для снятия кривых'намагничива-
ния три постоянной dB/dt. — «Приборы для научных исследований»,
1966, № 5, с. 3—11.
15. Казаков В. Н., Шихин А. Я. К вопросу исследования стати-
ческих магнитных характеристик электротехнических сплавов.—
«Электричество», 1971, № 2, с. 74—75.
131

16. Казаков В. Н. Исследование и применение метода медленно-
изменяющегося поля для испытания кольцевых образцов из низко-
коэрцитивных ферромагнетиков. Автореф. дис. на соиск. учен, сте-
пени канд. техн. наук. М., 1977. 22 с. (МЭИ).
17. Вонсовский С. В. Магнетизм. М., «Наука», 1971. 805 с.
18. Мишин Д. Д. Влияние дефектов кристаллической решетки
на свойства магнитных материалов. Свердловск, УГУ, 1969. 185 с.
19. Шур Я. С Пути создания высококоэрцитивных материалов
для постоянных магнитов. — «Вестник АН СССР», 1971, № 7,
с. 87—95.
20. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах.
Т. 1 и 2. М.—Л., ОНТИ, 1935—1936, 230 с, 304 с.
21. Поливанов К. М. Ферромагнетики. М.—Л., ГЭИ, 1957.
256 с.
22. Красовский Л. А. Динамика непрерывных самонастраиваю-
щихся систем. М., Физматгиз, 1963. 468 с.
23. Аналитические самонастраивающиеся системы автоматиче-
ского управления. Под ред. В. В. Солодовникова. М., «Машино-
строение», 1965. 355 с.
v. 24. Сергеев В. Г. Применение метода медленно изменяющегося
поля для испытания магнитно-твердых материалов в малых объемах.
Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. М., 1971.
25 с.
25. Сильванский И. В. Разработка и исследование метода и
устройств для испытания магнитно-твердых материалов. Автореф.
дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. М., 1970. 24 с.
(МЭИ).
26. Шихин А. Я., Боков А. Г. Электромагнит сильных магнит-
ных полей — «Труды МЭИ», 1972, вып. 152, с. 46—50.
27. Шихин А. Я., Казаков В. Н. Намагничивающее устройство.—
«Реф. инф. по радиоэлектронике», 1971, № 21, реф. 321.
28. Mott Е. G. An integrating type of electronic hysteresis
graph. — «J. Appl. Phys.», 1966, vol. 37, № 3, p. 1И8—1119.
29. Фельдбаум А. А. Основы теории оптимальных автоматиче-
ских систем. М., «Наука», 1966. 623 с.
30. Шихин А. Я., Сильванский И. В., Казаков В. Н. Исследова-
ние ферромагнитных материалов в условиях медленно изменяю-
щегося магнитного поля. — «Труды ин-тов метрологии СССР», 1972,
вып. 120(180), с. 156—162.
31. Коген-Далин В. В., Солодова М. Л., Сильванский И. В. Ха-
рактеристики образцов магнитно-жестких материалов при намагни-
чивании во взаимно перпендикулярных полях. — В кн.: Доклады
НТК по итогам НИР за 1966—1967 гг. М., МЭИ, 1967, с. 303—313.
32. Розенблат М. А. Магнитные элементы автоматики и вычис-
лительной техники. М., «Наука», 1966.719 с.
33. Шихин А. Я., Кравцов И. Е. Исследование статических ха-
рактеристик ферромагнитных материалов на базе беспоисковой само-
настраивающейся системы. — «Труды МЭИ», 1971, вып. 79, с. 52—59.
34. Сергеев В. Г., Шихин А. Я. К вопросу исследования стати-
ческих характеристик образцов в малых объемах из высококоэрци-
тивных материалов. — «Труды МЭИ», 1971, вып. 79, с. 79—88.
35. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления.
М.—Л., «Энергия», 1965. 396 с.
132

36. Картавых К). В. Методы автоматического измерения ин-
формативного комплекса параметров магнитных сердечников с ППГ
и их реализация. Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн.
наук. Л., 1971, 28 с. (ЛПИ).
37. Боголюбов В. Е. Квазирелаксационные колебания в ферро-
резонансных цепях с подмагничиванием. — «Электричество», 1949,
№ 6, с. 42—46.
38. Электрические измерительные преобразователи. М.—Л.,
«Энергия», 1967. 408 с. Авт.: В. К). Кончаловский, Я. А. Купер-
шмидт, Р. Я. Сыропятова, Р. Р. Харченко.
39. Маликов М. Ф. Основы метрологии. Ч. I. Учение об изме-
рении. М., Трудорезервиздат, 1949. 479 с.
40. Буль Б. К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М ,
«Энергия», 1964. 464 с.
41. Ротерс Г. Электромагнитные механизмы. Пер. с англ. Гос-
энергоиздат, 1949. 552 с.
42. Грацианов Ю. А., Рабинькин А. Г. Высококоэрцитивные ко-
бальт-платиновые сплавы. — «Электричество», 1965, № 10, с. 86—88.
43. Ланс Дж. Н. Численные методы для быстродействующих
вычислительных машин (пер. с англ.). М., Изд-во иностр.-лит. 1962.
208 с.
44. Расчет на ЭВМ распределения поля между полюсами элек-
тромагнита. — «Труды МЭИ», 1974, вып. 169. Авт.: В. Б. Балузин,
А. Г. Боков, В. Л. Шатуновский, А. Я. Шихин.
45. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. М., «Энер-
гия», 1968. 487 с.
46. Сергеев В. Г., Шихин А. Я. Исследование топографии поля
в рабочем зазоре электромагнита от установки У-541. — «Известия
вузов. Электромеханика», 1969, № 10, с. 1165—1167.
47. Лаврухин А. М. Установка с вибрационным магнитометром
для определения статических характеристик ферромагнетиков. —
«Измерительная техника», 1967, № 10, с. 53—57.
48. ГОСТ 13601-68. Материалы магнитно-твердые. Методы опре-
деления статических магнитных характеристик образцов. М., Изд-во
стандартов, 1968. 20 с.
49. Полонников Д. Е. Решающие усилители. М., «Энергия», 1973.
248 с.
50. Гальванометрические компенсаторы. М.—Л., «Энергия», 1964.
280 с. Авт.: Л. Ф. Куликовский, А. М. Мелик-Шахназаров, С. Г. Ра-
бинович, Б. А. Селибер.
51. Исследование установки МЭИ АРСПГ. — «Труды институтов
метрологии СССР», 1972, вып. 120(280), с. 156—162. Авт.: С. Б. Се-
менова, И. В. Сильванский, Е. Н. Чечурина, А. Я. Шихин.
52. ГОСТ 15058—69. Материалы магнитно-мягкие. Методы испы-
тания в постоянных полях. М., Изд-во стандартов, 1969. 20 с.
53. Карасик В. Р. Физика и техника сильных магнитных полей.
М., «Наука», 1964. 347 с.
54. Шихин А. Я., Казаков В. Н., Сергеев В. Г. Измерительный
преобразователь напряженности и индукции магнитного поля коак-
сиального типа. — «Измерительная техника», 1973, № 7, с. 51—52.
55. Козин В. М., Марченко Я. Е. Управляющие устройства тири-
сторных преобразователей для электропривода постоянного тока. М.,
«Энергия», 1971. 185 с.
56. Транзисторный операционный усилитель со шкалой выход-
ного напряжения ±59 В. — В кн.: Аналоговая и аналого-цифровая
133

вычислительная техника. Ч. 1. М., «Советское радио», 1968, с. 226—
235. Авт.: Я. И. Гриня, Л. И. Дятлов, А. А. Коханов, Ю. Ф. Михай-
лов.
57. Лагутин О. Б., Сергеев В. Г., Шихин А. Я. Измеритель маг-
нитного поля с автоматической стабилизацией крутизны преобразо-
вания. А. С. № 263212 (СССР). Опубл. в бюл. «Открытия. Изобре-
тения. Пром. образцы. Товарные знаки», 1970, № 7, с. 154.
58. Певзнер Г. С. Исследование цифровых устройств адаптивной
дискретизации двух функционально связанных величин в применении
к магнитным измерениям, Автореф. дис. на соиск. учен, степени
канд. техн. наук. Л.,. 1969. 29 с. (ЛЭТИ).
59. Capptuller Н. Numertsche und graphische Registrierung von
Magnetisierungskurven. — cPTB — Mitt.», 1970, Bd 80, № 2,
S. 105—107.

ОГЛАВЛЕНИЕ
1|редисловие 3
Глава первая. Общие положения 4
1-1. Основные характеристики ферромагнитных материалов
в постоянном магнитном поле 5
1-2. Классификация методов исследования статических
магнитных характеристик ферромагнитных материалов 8
1-3. Метод непрерывного медленно изменяющегося внеш-
него поля. Перемагничивание образца ферромагнит-
ного материала Ю
1-4. Устройства, основанные на использовании медленно
изменяющегося внешнего поля ....... 18
Глава вторая. Анализ намагничивающих систем ... 22
2-1. Общие положения построения автоматических намаг-
ничивающих систем 22
2-2. Испытуемый образец как объект автоматического
управления 24
2-3. Основные принципы построения автоматических на-
магничивающих систем 26
2-4..Разомкнутые системы . . . . 28
2-5. Намагничивающие системы с настраиваемой програм-
мой 32
2-6. Замкнутые системы .... 42
2-7. Намагничивающие системы, реализующие алгоритм
B=const 50
2-8. Намагничивающие системы с постоянной погрешно-
стью воспроизведения 56
Глава третья. Анализ источников погрешностей ... 61
3-1. Методическая погрешность 63
3-2. Анализ погрешности измерения магнитной индукции
в образце и напряженности внешнего поля ... 76
3-3. Анализ погрешностей измерительных цепей каналов
«в» и «Я» 79
3-4. Аттестация автоматических магнитоизмерительных
установок для испытания образцов ФММ .... 82
Глава четвертая. Элементы намагничивающего устрой-
ства 84
4-1. Электромагнит сильных магнитных полей .... 85
4-2. Управляемый источник питания намагничивающих
Обмоток 100
135

Глава пятая. Измерительные устройства 105
5-1. Первичнью измерительные преобразователи . . . 105
5-2. Канал измерения магнитной индукции . . . 111
5-3. Канал измерения напряженности магнитного поля . 114
5-4. Обработка результатов измерения магнитных харак-
теристик ферромагнитных материалов . . . . 117
Глава шестая. Технические данные магнитоизмерительных
установок типа АРСПГ и МИС ........ 120
6-1. Автоматический регистратор статических петель ги-
стерезиса АРСПГ-3 120
6-2. Автоматический регистратор статических петель гисте-
резиса АРСПГ-4 121
6-3. Установка для испытания низкокоэрцитивных ферро-
магнитных материалов МИС-1Н 123
6-4. Магнитоизмерительная установка МИС-1М МЭИ . . 125
6-5. Магнитоизмерительная установка МИС-1 МЭИ . . 126
6-6. Термокамера для исследования образцов магнито-
твердых материалов в широком интервале температур 128
Список литературы . . . 131
АНАТОЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ ШИХИН
Айтоматические магнитоизмерительные системы
Редактор 10. Н. Евланов
Редактор издательства Г. В. Лихачева
Художественный редактор Т. Я. Хромова
Технический редактор Н. Н. Левченко
Корректор В. С. Антипова
ИБ № 508
Сданэ в набэр 20/Х 1976 г. Подписано к печати 23/II 1977 г. Т-02647
Издательство «Энергия», Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государственном
комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии,
и книжной торговли. Москва, М-114, Щлюзовая наб., 10.