автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка средств прецизионных измерений динамических магнитных характеристик магнитомягких материалов

На правах рукописи

МАЛОК ВАСИЛИИ ПАВЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 ОКТ 2013

Екатеринбург - 2013

005535612

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Уральский научно-исследовательский институт метрологии»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Катаев Василий Анатольевич, кандидат физико-математических наук, доцент

Скулкина Надежда Александровна, доктор физико-математических наук, профессор, Уральский федеральный университет, институт естественных наук, профессор

Сысолятина Ирина Петровна, кандидат технических наук, ООО «ВИЗ-Сталь», зав. лабораторией магнитных измерений

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург

Защита состоится 05 ноября 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.023.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620049, г. Екатеринбург ул. Комсомольская, 34.

Ведущая организация:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения Уральского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан "<Р "октября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному адресу диссертационного совстэ..

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Коновалов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется тем, что она отвечает насущной потребности в развитии методов и средств прецизионных измерений динамических магнитных характеристик магнитомягких материалов (МММ) и совершенствованию метрологического обеспечения контроля качества МММ, от которых во многом зависит совершенство электрических машин и аппаратов, электронной аппаратуры и устройств автоматики.

В настоящее время в государственный реестр средств измерений (СИ) России внесено около 10 рабочих СИ, предназначенных для измерения динамических магнитных характеристик МММ в соответствии с имеющимися нормативными документами на методы измерений. Подобные установки используют в качестве рабочих СИ для выходного и входного контроля качества МММ на предприятиях, выпускающих и потребляющих эти материалы, а это только одной электротехнической стали около 0,5 млн тонн в год.

Поверку магнитоизмерительных установок обычно проводят с использованием стандартных образцов (СО) магнитных свойств.

Для определения метрологических характеристик СО в ФГУП «Уральском научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «УНИИМ»), специализирующемся на обеспечении единства измерений магнитных свойств МММ, до 1993 г. использовались аналоговые образцовые измерительные установки ДП-1, ВОЛНА, а с 1993 г. цифровая установка высшей точности УВТ 82-А-93, разработанная и изготовленная при активном участии автора данной работы.

Недостатком такого состояния метрологического обеспечения являлось, то, что все эти установки имели недостаточно высокие метрологические характеристики (диапазон измерения удельных магнитных потерь от 0,3 до 160 Вт/кг, расширенная неопределенность измерения 1-2,5 %).

Поэтому для повышения точности и поднятия статуса измерений магнитных свойств МММ по предложению автора работы, поддержанного администрацией ФГУП «УНИИМ», в 2008 г. Управлением метрологии Госстандарта было принято решение создать на основе установки УВТ 82-А-93 государственный первичный эталон (ГЭТ) единиц мощности магнитных потерь.

Выбор магнитных потерь как воспроизводимой ГЭТ физической величины был обусловлен тем, что это - важнейшая динамическая характеристика МММ, необходимая при проектировании и производстве изделий из МММ, также применяемая в качестве нормативной при производстве наиболее массового МММ - электротехнической стали.

Цель диссертационной работы состоит в развитии методов и средств прецизионных измерений магнитных характеристик МММ в динамических режимах перемагничивания и в разработке на этой основе эталонных СИ мощности магнитных потерь с улучшенными по сравнению с существующими СИ метрологическими характеристиками, а также в

разработке комплекса мер по обеспечению единства измерений мощности магнитных потерь в РФ. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи исследования Задачи исследования:

1 Разработать приемы и методы определения магнитных характеристик МММ по измеренным массивам мгновенных значений электрических сигналов первичных преобразователей, позволяющие поднять точность измерений в 1,5 - 2 раза по сравнению с существующими эталонными СИ.

2 Выработать технические решения реализации метода прецизионного аналого-цифрового преобразования мгновенных значений электрических напряжений, по которым рассчитываются динамические магнитные характеристики. Выработанные решения должны обеспечивать выполнение метрологических требований по созданию государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь.

3 Исследовать и описать аналитически влияние на удельные магнитные потери (Руд.) стандартных образцов отклонений режима перемагничивания от режима синусоидальной магнитной индукции, температуры амплитуды магнитной индукции Вт при малых отклонениях влияющих величин от номинальных.

4 Исследовать влияние числа закладок N стандартного образца из анизотропной электротехнической стали в аппарат Эпштейна на Р

5 Разработать поверочную схему, устанавливающую порядок воспроизведения единиц мощности магнитных потерь при помощи государственного первичного эталона и порядок передачи этих единиц рабочим СИ.

6 Разработать государственные СО удельных магнитных потерь (СО УМП) электротехнической стали в виде листов и в виде полос для поверки СИ мощности магнитных потерь и СО динамических магнитных свойств МММ для поверки установок, измеряющих характеристики образцов тороидальной формы.

Научная новизна.

1 Впервые для повышения точности измерения магнитных потерь предложено проводить периодическую цифровую градуировку каналов магнитного поля и магнитной индукции по калибратору переменного напряжения и учитывать влияние малых отклонений температуры амплитуды магнитной индукции Вт и коэффициента гармоник Кг от номинальных на Руд.

2 Впервые созданы алгоритмы и программы, позволяющие поднять точность определения комплекса магнитных характеристик МММ по измеренным массивам мгновенных значений электрических сигналов, что позволило в 1,5-2 раза улучшить метрологические характеристики эталонных СИ.

3 Создана установка ЦИКЛ с наилучшими в стране метрологическими характеристиками, ставшая основой государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь - ГЭТ 198-2011.

4 Разработана и утверждена «Программа и методика периодической аттестации государственного первичного эталона ГЭТ 198-2011» в соответствии с нормативными документами Госстандарта.

5 Создана государственная поверочная схема, устанавливающая порядок воспроизведения и передачи единиц мощности магнитных потерь, утвержденная и зарегистрированная в ранге национального стандарта (ГОСТ Р 8.799-2012).

6 Показано, что коэффициент гармоник Кг напряжения на измерительной обмотке СО более полно и однозначно по сравнению с коэффициентом формы Кф, отражает величину и характер малых отклонений формы кривой магнитной индукции от синусоидальной.

Предложено в нормативных документах вместо коэффициента формы Кф напряжения на измерительной обмотке СО использовать коэффициент гармоник Кр в качестве параметра, характеризующего малые отклонения режима перемагничивания от режима синусоидальной магнитной индукции.

Полученные автором новые результаты легли в основу нормативной и технической базы национальной системы метрологического обеспечения измерений магнитных потерь в МММ на основе применения государственных СО свойств МММ.

Теоретическая и практическая значимость работы. В 2011 г. на базе установки ЦИКЛ, разработанной автором диссертации и обладающей высокими метрологическими характеристиками, создан государственный первичный эталон единиц мощности магнитных потерь в МММ в синусоидальных режимах перемагничивания в диапазоне частот от 50 до 2-Ю5 Гц (ГЭТ 198-2011).

В 2013 г. зарегистрирована и введена в действие государственная поверочная схема для средств измерений мощности магнитных потерь (ГОСТ Р 8.799-2012).

Автором диссертации разработаны и внесены в Государственный реестр СО два новых типа листовых государственных СО удельных магнитных потерь электротехнической стали (ГСО 2129-89 и ГСО 5357-90) и два новых типа СО удельных магнитных потерь, параметров кривой намагничивания и петель гистерезиса МММ (ГСО 5356-90 и ГСО 1382-89) в виде полос и колец.

Впервые в стране решена проблема воспроизведения единиц мощности магнитных потерь с помощью ГЭТ 198-2011 и передачи этих единиц с использованием ГСО УМП рабочим СИ.

Предприятиям страны переданы по договорам в 2009 — 2013 гг государственные стандартные образцы магнитных свойств 7 различных типов в количестве более 200 экземпляров для поверки магнитоизмерительных установок.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1 Алгоритмы вычислений магнитных величин по измеренным массивам мгновенных значений электрических сигналов с учетом

результатов градуировки измерительных каналов и учетом влияющих величин, что обеспечивает прецизионное определение магнитных величин.

2 Разработка, исследование метрологических характеристик и аттестация государственного первичного эталона ГЭТ 198-2011, предназначенного для хранения и воспроизведения единиц мощности магнитных потерь в МММ.

3 Программа и методика метрологической аттестации эталонных СИ для прецизионных измерений свойств МММ.

4 Поверочная схема для средств измерений мощности магнитных потерь МММ, ставшая государственной (ГОСТ Р 8.799-2012).

5 Результаты исследования влияния амплитуды магнитной индукции, температуры и отклонения режима перемагничивания от режима синусоидальной индукции на удельные магнитные потери СО МММ при малых отклонениях указанных величин от номинальных.

Достоверность результатов подтверждается использованием при измерениях только поверенных средств измерений и стандартных образцов удельных магнитных потерь утвержденных типов. Основные измерения характеристик образцов МММ выполнены на эталоне ГЭТ 198-2011, высокие метрологические характеристики подтверждены проведенными международными сличениями ФГУП «УНИИМ», Физико-техническим институтом (РТВ) Германии и Чешским метрологическим институтом (CMI) Чехии.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и совещаниях:

- по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов: 1974 г. (Череповец), 1978 г. (Челябинск), 1984 г. (Москва);

- по проблемам магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры: 1977 г. (Ленинград), 1983 г. (Ленинград), 1983 г. (Омск), 1989 г. (Ленинград);

- по проблемам метрологического обеспечения испытаний магнитомягких материалов: 1978 г. (Челябинск), 1980 г. (Свердловск), 1982 г. (Свердловск), 1985 г. (Свердловск), 1990 г. (Свердловск), 1991 г. (Углич), 1998 г. (Екатеринбург);

- на III Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Стандартные образцы в измерениях и технологиях» 2011 г. (Екатеринбург);

- на 1-ой международной научной конференции «Стандартные образцы в измерениях и технологиях» 2013 г. (Екатеринбург).

Публикации.

Всего по теме диссертации 32 печатных труда, из них 17 в журналах, рекомендованных ВАК, в т.ч. два авторских свидетельства.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений.

Общий объем работы составляет 190 страниц текста, 29 рисунков (графиков), 27 таблиц. В списке цитируемой литературы 173 названия.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, формулируются цели, научная и практическая значимость исследования.

В первой главе приводится обзор литературы по методам обеспечения регламентируемых режимов перемагничивания, предназначенных для испытания МММ в динамических режимах перемагничивания. Показано, что развитие и совершенствование средств испытания МММ тесно связано с необходимостью обеспечения регламентируемых режимов

перемагничивания.

Приведен краткий обзор современного состояния измерений магнитных потерь и их метрологического обеспечения. Объясняются причины широкого распространения и высокой эффективности применения стандартных образцов свойств магнитомягких материалов для поверки магнитоизмерительной аппаратуры.

Далее рассмотрено состояние методов и реализующих их устройств прецизионных измерений динамических характеристик образцов МММ, а также пути автоматизации этих измерений. В основу прецизионных измерений должен быть положен индукционный метод измерения с аналого-цифровым преобразованием мгновенных значений напряжений, пропорциональных напряженности магнитного поля на поверхности испытуемого образца и скорости изменения средней по сечению образца магнитной индукции, в цифровые коды, которые используются компьютером для вычисления значений измеряемых магнитных характеристик. Именно этот метод измерений используется в эталонных средствах измерений всех развитых стран мира.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой установки ЦИКЛ для прецизионных измерений динамических магнитных характеристик МММ.

В установке реализован вышеупомянутый индукционный метод измерения. В установке программным путем была реализована одна из разновидностей индукционного метода измерений — феррометрический метод измерений, позволяющий наряду с мощностью магнитных потерь дополнительно измерять такие динамические магнитные характеристики, как коэрцитивная сила, остаточная индукция, координаты динамических петель гистерезиса и др.

Далее подробно рассмотрена работа установки ЦИКЛ, составляющая основу государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь ГЭТ 198-2011.

Блок-схема установки приведена рис. 1. Намагничивающая обмотка аппарата Эпштейна - \\П через катушку сопротивления В. из блока измерения подключается к выходу усилителя мощности установки. Напряжение с измерительной обмотки \¥2 испытуемого образца и

потенциальных клемм катушки сопротивления поступает на входы канала индукции и канала поля, соответственно, блока измерения установки.

Форма напряжения на выходе усилителя мощности установки определяется формой напряжения, поступающего с выхода программируемого генератора на вход усилителя мощности и нелинейной индуктивностью первичной обмотки W1 аппарата Эпштейна с образцом. Программируемый генератор подключен к персональному компьютеру по шине PCI.

Персональный компьютер в составе установки управляет цифровым генератором и усилителем мощности по программе, задает синусоидальный режим перемагничивания испытуемого образца, обеспечивает измерение электрических сигналов, пропорциональных напряженности магнитного поля и скорости изменения магнитной индукции в образце.

В общем случае, весь процесс измерения, управляемый программой, разделен на два этапа.

Рис. 1. Блок-схема установки ЦИКЛ.

На первом этапе после размагничивания образца оператор устанавливал требуемую частоту генератора по частотомеру ЧЗ-47А и амплитуду магнитной индукции по мультиметру В7-84. Затем задавался синусоидальный режим перемагничивания образца с помощью усилителя с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Коэффициент гармоник напряжения на вторичной обмотке образца контролировался с помощью измерителя нелинейных искажений С6-11. Далее измерялись

массивы мгновенных значений сигналов в каналах магнитного поля (канал Н) и магнитной индукции (канал В) блока измерения.

На втором этапе массивы мгновенных значений через порт USB вводились в персональный компьютер, где проводилась обработка массивов данных с помощью аттестованного. программного обеспечения установки, вычисление магнитных и электрических характеристик по приведенным ниже формулам. Результаты измерений выводились на экран монитора.

Амплитуда напряженности магнитного поля в образце вычислялась по формуле, следующей из закона полного тока:

нт = ки-ит, (1)

где К„ = Wi / (R-lcp) — коэффициент преобразования, Wj - число витков намагничивающей обмотки образца; R - номинальное значение измерительного сопротивления (катушки электрического сопротивления), Ом; 1ср — средняя длина магнитного пути в образце, м; Um - амплитудное значение падения напряжения на катушке сопротивления, определяемое в результате обработки массива данных (массив Н).

Амплитуда магнитной индукции в образце вычислялась по формуле, следующей из закона электромагнитной индукции Фарадея:

Bm=Ke-Ucp., . (2)

где Ka = l/(4-WyS-f) - коэффициент преобразования;

иср — среднее значение напряжения на измерительной обмотке образца;

W2 - число витков измерительной обмотки; S - сечение образца, м"; /- частота перемагничивания, Гц.

Напряжение Ucp вычислялось по формуле:

''ср

и =1

J UB№ + } UB(t)dt

(3)

где ив(1) - мгновенные значения напряжения на измерительной обмотке образца; Т - период перемагничивания.

Так как подынтегральная функция 11в(0 задана в виде массива мгновенных значений напряжения, то определенные интегралы в выражении (3) вычисляются с использованием формулы трапеций.

Мгновенные значения напряженности магнитного поля Н(() в А/м находились по формуле:

Н(1)=Кн-и„(0, (4)

где и^СО- мгновенные значения падения напряжения на катушке сопротивления К (массив Н).

Мгновенные значения индукции в Тл рассчитывались с использованием формулы Ньютона-Лейбница:

]ив{ол + \ ив(1)А

772

(5)

Формула (5) фактически реализует феррометрический метод измерения мгновенных значений индукции, предложенный в [б], с использованием современных средств измерения, основанных на применении вычислительной техники. Определенные интегралы в выражении (5) также как и в выражении (3) вычислялись с использованием формулы трапеций.

По окончании этих вычислений измерительная программа формировала два массива чисел: массив мгновенных значений напряженности магнитного поля Н1 и массив мгновенных значений индукции В,. Эти массивы Н1 и В; являются координатами точек динамической петли гистерезиса.

Удельные магнитные потери Руд в образце в Вт/кг определялись через площадь петли гистерезиса по формуле:

Р^ЫзИ^ню, (6)

где /-частота перемагничивания, Гц;

у- плотность материала образца, кг/м3;

кн, ке — коэффициенты градуировки измерительных каналов;

§Нс1В — площадь петли гистерезиса, Дж/м3.

Приближенное выражение для Руд. можно записать, используя для вычисления определенного интеграла в выражении (6) формулу трапеций, следующим образом:

Руб. = к,„ -к, Н,В, + ¿(ЯА, -ЯМД) + НпВ„) , (7)

7 ¡-1

где Я,- и В, - мгновенные значения поля и индукции, рассчитываемые по формулам (4) и (5); п - число точек петли гистерезиса за период перемагничивания.

Для контроля режима перемагничивания образца при каждом измерении программа вычисляла коэффициент гармоник Кг и коэффициент формы Кф напряжений в измерительных каналах.

Технические и метрологические характеристики ГЭТ 198-2011, полученные в результате метрологической аттестации, следующие: -амплитуда магнитной индукции - от 0,1 до 1,9 Тл; -частота перемагничивания — от 50 до 2-105 Гц; -масса образцов - от 1 до 1200 г;

-диапазон измерения удельных магнитных потерь при синусоидальном

режиме перемагничивания от 0,1 до 200,0 Вт/кг; -среднеквадратическое отклонение результата измерений (ЗУ, не превышает 5-10"4 при 10 независимых наблюдениях и неисключенная систематическая погрешность результата измерений (не превышает 2,0'10"3;

-расширенная неопределенность (с коэффициентом охвата 2 при доверительной вероятности 0,95) измерения удельных магнитных потерь СО в зависимости от частоты находится в пределах от 0,2 до 0,8 %.

Для оценки измерительных возможностей эталона в 2011-2012 годах были проведены международные сличения ГЭТ 198-2011 с эталонными установками Физико-технического института (РТВ) Германии и Чешского метрологического института (СМ1) Чехии.

Обработка полученных результатов сличений показала, что эталонные установки стран-участников сличений эквивалентны. Следовательно, высокие метрологические характеристики разработанного эталона ГЭТ 1982011, в состав которого вошла разработанная автором диссертации установка ЦИКЛ, подтверждены результатами международных сличений.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния условий измерения, таких как температура стандартного образца, амплитуда магнитной индукции и отклонение режима перемагничивания от режима синусоидальной магнитной индукции на характеристики стандартных образцов свойств магнитных материалов.

Влияние отклонений формы магнитной индукции от синусоидальной на удельные магнитные потери.

Измерения удельных магнитных потерь в МММ обычно проводят в режиме синусоидального изменения магнитной индукции во времени (далее режиме синусоидальной индукции). В качестве параметра, характеризующего отклонение режима перемагничивания от режима синусоидальной индукции, использовался коэффициент гармоник КГ напряжения на измерительной обмотке стандартного образца или на измерительной обмотке аппарата Эпштейна.

Измерения зависимости удельных магнитных потерь от коэффициента гармоник Кг напряжения на вторичной обмотке аппарата Эпштейна были выполнены автором на 11 образцах в виде полос анизотропной и изотропной электротехнической стали различных марок размерами 30x280 мм для аппарата Эпштейна. Образцы анизотропной стали в количестве 8 шт. имели толщину 0,27; 0,30 и 0,35 мм, а 3 образца изотропной стали имели толщину 0,50 мм.

Измерения проводили на установке ЦИКЛ при индукциях 1,5 и 1,7 Тл для образцов анизотропной стали и при индукциях 1,0 и 1,5 Тл для образцов изотропной стали. В качестве усилителя для перемагничивания образцов использовался усилитель мощности с отрицательной обратной связью по напряжению, входящий в состав установки ЦИКЛ и позволяющий получить минимальный коэффициент гармоник выходного напряжения менее 0,1 %.

Коэффициент гармоник напряжения на вторичной обмотке образца изменялся путем введения в намагничивающую цепь установки ЦИКЛ дополнительного активного сопротивления. Измерения Кг выполнялись с помощью измерителя нелинейных искажений типа С6-11.

Коэффициент гармоник при измерениях менялся от минимально возможного К-гтщ при отсутствии дополнительного сопротивления Rdon в намагничивающей цепи (/?&,„=0) до 10 % (Яд0пФ0) с шагом 2 %.

Результаты эксперимента были обработаны с помощью Microsoft Excel. На рис. 2 приведен один из графиков измеренных линейных зависимостей значений удельных магнитных потерь (Руд) от коэффициента гармоник (Кг) для образца № 1-02 и амплитуды магнитной индукции Вм=1,7 Тл. Находили уравнение прямой, наилучшим образом описывающих экспериментальные зависимости РУд=0,049-Кг+1,4327 и уровень достоверности аппроксимации R2=0,9961. Как следует из полученных автором экспериментальных данных при увеличении на 1 % коэффициента гармоник напряжения на вторичной обмотке аппарата Эпштейна удельные магнитные потери увеличиваются в среднем на 0,5 % для индукции 1,5 Тл и на 0,6 % для индукции 1,7 Тл.

Значения удельных магнитных потерь, измерялись и в образцах изотропной электротехнической стали при Кг = 1,0 % и Кг = 10 % при амплитудах магнитной индукции 1,0 Тл и 1,5 Тл, Из полученных экспериментальных данных следует, что влияние отклонения формы магнитной индукции от синусоидальной на удельные магнитные потери несущественно.

Рис. 2. Зависимость Руд. от Кг. Обр. № 1-02; Вм=1,7 Тл.

Полученные в ходе экспериментальных работ результаты говорят о существенной зависимости Р^ от Кг для образцов анизотропной электротехнической стали и об отсутствии зависимости Р^ от Кг для образцов изотропной электротехнической стали в диапазоне изменения Кг от 0 до 10%.

Контроль характеристик магнитопроводов измерительных трансформаторов при несинусоидальном режиме перемагничивания с КГяо 70 %.

Одними из устройств, имеющих большое значение для энергетики, являются трансформаторы тока. Поскольку трансформатор тока является средством измерения, то к нему предъявляются высокие требования в отношении точности, постоянству коэффициента трансформации в различных режимах работы и т.д. Поэтому нормативные документы, регламентирующие технические характеристики трансформаторов тока, также жестко требуют выполнения условий их эксплуатации, в частности, соблюдения синусоидальной формы кривой тока. Однако последнее требование, как показывает практика, далеко не всегда соблюдается. Так, например анализ формы анализ формы кривой на токоприемниках электровозов показал, что в ней наряду с первой присутствует значительная доля пятой гармоники. Это обстоятельство обусловило необходимость проведение работы по измерению характеристик магнитопроводов измерительных трансформаторов при несинусоидальных режимах перемагничивания.

Были проведены измерения кривых намагничивания, петель гистерезиса В(Н), зависимостей магнитной индукции В и напряженности магнитного поля Н от времени, зависимостей угла потерь (5, град), удельных магнитных потерь (Руд., Вт/кг) от амплитуды магнитной индукции Вт на 18 витых кольцевых образцах из холоднокатаной анизотропной электротехнической стали марки 3405 при несинусоидальной форме напряжения на намагничивающей обмотке магнитопроводов измерительных трансформаторов, выполненных из электротехнической стали.

Установлено, что наличие дополнительной гармонической составляющей оказывает заметное влияние на амплитудную магнитную проницаемость и магнитные потери, причем для проницаемости главным фактором является процентное содержание пятой гармоники, а для потерь -процентное содержание гармоники и фазовый сдвиг гармоники относительно первой (основной) гармоники.

Влияние амплитуды магнитной индукции на удельные магнитные потери.

Автором было проведено экспериментальное исследование влияния амплитуды магнитной индукции на удельные магнитные потери в СО и сделана оценка стандартной неопределенности по типу В, вызванной неопределенностью задания амплитуды магнитной индукции Вп. Экспериментальные результаты получены на установке ЦИКЛ. Кроме того были установлены параметры а и Ь функциональной зависимости удельных магнитных потерь Руц от амплитуды магнитной индукции Вт в виде РУд =а-(Вп)ь на частоте 50 Гц в образцах электротехнической стали изотропной и анизотропной в виде эпштейновских полос размерами 280x30 мм и витых колец из ленты стальной электротехнической холоднокатаной

анизотропной. Полученные результаты были использованы для оценки стандартной неопределенности по типу В измерения удельных магнитных потерь Руд, обусловленной влиянием Вт на Pyä.

На образцах в виде полос для аппарата Эпштейна измеряли удельные магнитные потери при частоте перемагничивания 50 Гц и при значениях амплитуды магнитной индукции в диапазоне от 0,1 до 1,5 Тл для образцов из изотропной электротехнической стали (ГСО 2002-80) и при амплитудах магнитной индукции в диапазоне от 0,1 до 1,7 Тл для образцов из анизотропной электротехнической стали (ГСО 859-76).

На образцах кольцевой формы (ГСО 3134-85) измеряли удельные магнитные потери при частоте перемагничивания 50 Гц и при заданных значениях амплитуды магнитной индукции в диапазоне от 0,1 до 1,5 Тл. Шаг по индукции во всех трёх случаях был равен 0,1 Тл.

Полученные в ходе выполнения данной работы экспериментальные результаты были обработаны по методу наименьших квадратов с использованием Microsoft Excel. Типичный вид экспериментальной зависимости Руд от Вт аппроксимирующая кривая этой зависимости, уравнение аппроксимирующей кривой и уровень достоверности аппроксимации R2 приведены на рис. 3.

На рис. 3 ромбиками обозначены экспериментальные значения Руд. при заданных значениях Вт, тонкой кривой - экспериментальная зависимость РУд. от Вт, жирной кривой — аппроксимирующая кривая. Как видно из рис. 3 зависимость Р^ от Вт имеет вид:

Pyà = a-Bb„, (8)

где а и b коэффициенты этой степенной зависимости (в нашем случае а=0,4540; 6=1,8823).

Руд.(Вм) Обр. № 17

Вм, Тл

Рис. 3. Зависимость Руд от Вт для образца № 17 в виде полос для аппарата Эпштейна из анизотропной электротехнической стали.

Коэффициенты аппроксимации а для всех трех типов образцов находились в пределах от 0,32 до 2,34. Коэффициенты аппроксимации Ъ, являющиеся показателями степени при Вт не превышали 2 для всех исследованных стандартных образцов.

Так как Рзависит от Вт по формуле (8), то стандартная неопределенность по типу В измерения удельных магнитных потерь оценивалась по формуле: Щ <2-U/;ffi Где иБИ- стандартная неопределенность по типу В измерения напряжения на измерительной обмотке образца блоком измерения (БИ).

Исследование влияния температуры на характеристики МММ.

К числу факторов, которые могут оказывать существенное влияние на характеристики МММ, принадлежит температура.

Ниже для примера описано исследование температурных зависимостей амплитуды магнитной индукции, коэрцитивной силы и удельных магнитных потерь, которое проводили на витых кольцевых стандартных образцах ГСО 1382-89, навитых из ленты пермаллоя марок 34НКМП, 50НП, 79НМ и 50НХС шириной 10 мм и толщиной 6 10 и 20 мкм. Результаты измерений были обработаны с помощью программы Microsoft Ecxel.

На рис. 4 представлены зависимости Рудщ от температуры t в образце, навитом из ленты сплава 34НКМП толщиной 10 мкм для частот перемагничивания 50, 400 и 1000 Гц. На рисунке также приведены уравнения аппроксимирующие экспериментальные зависимости Pyd.(t), значения уровня достоверности аппроксимации R2 и частоты f.

>y<S. » -С , 10034 45,745

г11 = о,э >89 f= WOO Гц

! •уд. - -о ,г = 0,9! 0369't ^ 83 f 16,779 ■400 Гц

R ' = 0,9В IB t •50 Гц

•ЭО .20 -10 0 10 20 С, С 30 40 50 60 70

Рис. 4. Зависимость Руд, от температуры I в образцах, навитых из ленты сплава 34НКМП толщиной 10 мкм.

В табл. 1. приведены экспериментальные значения относительных изменений в % амплитуды магнитной индукции, коэрцитивной силы и удельных магнитных потерь при изменении температуры образцов на 1 °С в диапазоне температур от - 20 до 60 °С и при частотах 50,400 и 1000 Гц.

Как видно из табл. 1 относительное изменение амплитуды индукции Вы не превышает 0,09 %, относительное изменение коэрцитивной силы Нс не превышает 0,26 %, а относительное изменение удельных магнитных потерь не превышает 0,33 % при изменении температуры образца на 1 "С.

Таблица 1.

Марка материала 34НКМП 50НП 79НМ 50НХС

Толщина ленты 5=10 мкм 8=20 мкм 8=10 мкм 8=20 мкм 8=10 мкм 8=20 мкм 8=10 мкм 8=20 мкм

вт 0,05 0,05 0,07 0,08 0,09 0,08 0,03 0,03

нс 0,18 0,26 0,19 0,21 0,11 0,15 0,24 0,24

Руд. 0,29 0,33 0.31 0,33 0,14 0,14 0,30 0,29

50 Гц Рул. 0,29 0,31 0,26 0,30 0,14 0,14 0,24 0,29

400 Гц Р^. 0,29 0,33 0,27 0,32 0,14 0,07 0,27 0,24

1000 Гц Руб. 0,25 0,32 0,31 0,33 0,12 0,14 0,30 0,28

Как было установлено автором увеличение температуры кольцевых стандартных образцов, навитых из ленты электротехнической стали толщиной 0,05; 0,08 и 0,15 мм на 1 °С приводит к уменьшению удельных магнитных потерь на ОД % на частоте 50 Гц.

В авторском свидетельстве [10] предложен способ поверки магнитоизмерительных приборов. Предлагаемый способ отличается от известных тем, что, с целью повышения точности аттестации, проводят температурные испытания стандартного образца, после чего магнитную характеристику стандартного образца при поверке магнитоизмерительного прибора определяют по аналитическому выражению с учетом температуры стандартного образца.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой поверочной схемы для средств измерений мощности магнитных потерь

Разработана и утверждена государственная поверочная схема для средств измерений мощности магнитных потерь в магнитомягких материалах (ГОСТ Р 8.799-2012), устанавливающая порядок воспроизведения единиц мощности магнитных потерь при помощи ГЭТ 198-2011 и порядок передачи этих единиц с использованием государственных стандартных образцов магнитных свойств рабочим средствам измерения.

Были проведены исследования влияния числа закладок N стандартного образца № 01-09 в виде полос анизотропной электротехнической стали размерами 280x30 мм в аппарат Эпштейна на результаты измерений Руд. Число закладок Л''менялось от 1 до 101.

Полученные экспериментальные данные обрабатывались с помощью программы Microsoft Excel. Результаты обработки представлены на рис.5, на котором ромбиками обозначены экспериментальные данные, кривой линией - результаты линейной аппроксимации. На графике также приведено уравнение аппроксимирующей функции: /5>,а=1,0915*А'о,оо;з и значение уровня достоверности аппроксимации R2.

Pyd.(N)

Число закладок образца в аппарат Эпштейна N

Рис. 5. Влияние числа закладок N стандартного образца в аппарат Эпштейна на результаты измерения Руд

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при самых аккуратных закладках образцов из анизотропной электротехнической стали в аппарат Эпштейна в результате влияния пластических деформаций на магнитные характеристики образцов происходит заметное увеличение Руд. в этих образцах. С увеличением числа закладок N стандартного образца в аппарат Эпштейна Руд в образце только растут.

Каждая закладка образца в аппарат Эпштейна приводит к увеличению Руд. в образце примерно на 0,01 %

В связи с этим предлагается интервал между повторными испытаниями на ГЭТ 198-2011 стандартных образцов из анизотропной электротехнической стали в виде полос для аппарата Эпштейна уменьшить до одного года. В настоящее время этот интервал равен двум годам.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработано и аттестовано программное обеспечение вычисления магнитных характеристик МММ по измеренным массивам мгновенных значений электрических напряжений с учетом градуировки измерительных каналов с помощью калибратора переменного напряжения и с учетом влияния отклонений от регламентированных режимов перемагничивания МММ, что позволило более чем в два раза поднять точность измерений.

2 Выработаны технические решения реализации метода прецизионного аналого-цифрового преобразования мгновенных значений электрических сигналов, по которым рассчитываются динамические магнитные характеристики. Выработанные решения обеспечили создание установки ЦИКЛ с наилучшими достигнутыми в стране метрологическими характеристиками, которая вошла в состав государственного первичного эталона ГЭТ 198-2011, высокие метрологические характеристики которого подтверждены результатами международных сличений.

3 Исследовано и описано аналитически влияние на удельные магнитные потери Руд. в СО отклонение режима перемагничивания от режима синусоидальной магнитной индукции, температуры амплитуды магнитной индукции Бт при малых отклонениях влияющих величин от номинальных.

4 Показано, что при самых аккуратных закладках образца из анизотропной электротехнической стали в аппарат Эпштейна в результате влияния пластических деформаций на магнитные характеристики образца происходит заметное увеличение РУд. в этом образце. С увеличением числа закладок стандартного образца в аппарат Эпштейна Руд. в образце только растут. Каждая закладка образца в аппарат Эпштейна приводит к увеличению Руд, в образце примерно на 0,01 %.

5 Впервые в стране решена проблема воспроизведения единиц мощности магнитных потерь с помощью ГЭТ 198-2011 и передачи этих единиц с использованием ГСО УМП рабочим СИ. Разработана утверждена и зарегистрирована в ранге национального стандарта поверочная схема для средств измерений мощности магнитных потерь в МММ (ГОСТ Р 8.7992012).

6 Разработаны и внесены в Госреестр государственные СО УМП электротехнической стали в виде листов и в виде полос для поверки СИ мощности магнитных потерь и СО динамических магнитных свойств МММ для поверки установок, измеряющих характеристики образцов тороидальной формы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в научных изданиях, входящих в список ВАК РФ:

1 Кадочников А.И., Иванов В.П., Малюк В.П. Влияние температуры на характеристики стандартных образцов магнитных свойств железоникелевых сплавов. - Измерительная техника, 1979, № 5, с. 5455.

2 Вдовин Ю.А., Захаров В.А., Малюк В.П., Шайдюк Л.П. Исследование влияния неоднородности толщины ленты пермаллоя на удельные магнитные потери магнитопроводов. Электротехника, 1984, № 8.

3 Дидик Ю.И., Корзунин Г.С., Эткинд Л.Л., Малюк В.П., Дидик М.Ю. Контроль характеристик магнитопроводов измерительных трансформаторов в сложных условиях перемагничивания. -Дефектоскопия, 2001, № 11, с. 23-38.

4 Дидик Ю.И., Корзунин Г.С., Малюк В.П. Метрологическое обеспечение измерений магнитных потерь в магнитомягких материалах при синусоидальном режиме перемагничивания. - Дефектоскопия,

2003, № 5, с.68-76.

5 A.c. 905893 (СССР). Феррометр /Вдовин Ю.А, Гилев Ю.В., Дмитриев Г.И., Сивенцев A.A., Ишутина Е.С., Малюк В.П.- Опубл. в Б.И., 1982, №6.

6 Селезнев Ю.В., Аронов А.Л., Вдовин Ю.А., Малюк В.П. Описание семейства магнитных характеристик по результатам эксперимента при моделировании устройств с ферромагнитными элементами. -Электротехника, 1985, № 2, с. 30-32.

7 A.c. 1185282 (СССР). Способ поверки магнитоизмерительных приборов /Селезнев Ю.В., Аронов А.Я., Вдовин Ю.А, Малюк В.П. -Опубликовано в Б.И., 1985 , № 38.

8 Вдовин Ю.А., Захаров A.A., Захаров В.А., Попов Э.И., Малюк В.П., Лисанина A.M. К оценке влияния движения ленты на погрешность измерения в процессе неразрушающего контроля электротехнической стали. — Дефектоскопия, 1990, №7.

9 Кадочников А.И., Стародубцев Ю.Н., Малюк В.П. К расчетной интерпретации семейства динамических петель гистерезиса магнитопровода из нанокристаллической ленты. - Электричество,

2004, № 2, с. 49-54.

10 Кадочников А.И., Сивенцев A.A., Малюк В.П. Частотная зависимость и разделение потерь энергии на перемагничивание в магнитных материалах. - Электричество, 1977, № 7, с. 56-60.

11 Кадочников А.И., Стародубцев Ю.Н., Малюк В.П. Динамические кривые перемагничивания тороидального магнитопровода из аморфного сплава CoesFeiC^SiuBii- - Электричество, 2005, № 1, с. 5054.

12 Соболев A.C., Малюк В.П., Воронина C.B. Разработка стандартных образцов для поверки магнитных дефектоскопов УДК-3». -Стандартные образцы, №2,2007, с. 20-30.

13 Люхина И.В., Малюк В.П. Влияние отклонения режима перемагничивания от синусоидального на удельные магнитные потери в стандартных образцах свойств электротехнической стали. -Стандартные образцы, №1,2012, с. 61-67.

14 Кадочников А.И., Стародубцев Ю.Н., Малюк В.П. Динамика перемагничивания аморфного магнитопровода при пониженных амплитудах индукции. - Электричество, 2006, № 4, с. 65-68.

15 Малюк В.П., Люхина И.В., Корзунин Г.С. Влияние не синусоидальности режима перемагничивания на удельные магнитные потери в электротехнической стали - Дефектоскопия, 2012, № 9, с. 2430.

16 Малюк В.П., Катаев В.А., Коробейникова М.Н. Исследование влияния амплитуды магнитной индукции на удельные магнитные потери в стандартных образцах свойств электротехнической стали. -Стандартные образцы, 2013, №2, с. 34-41.

17 Маслова Т.И., Малюк В.П., Дидик Ю.И., Малыгин М.А. Государственный первичный эталон единиц мощности магнитных потерь,- Измерительная техника, 2013, №9.

Основные публикации в научных изданиях, не входящих в список ВАК РФ:

1 Дмитриев Г.И., Малюк В.П. Образцовая установка для аттестации стандартных образцов в динамических режимах. - УП Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры». - Тезисы докладов. - Ленинград, 1989, ч.П, с.125.

2 Вдовин Ю.А., Малюк В.П., Дмитриев Г.И., Звенигородская А.И. Образцовая установка с микро-ЭВМ для аттестации стандартных образцов свойств магнитомягких сплавов. - В кн. Измерение электрических и магнитных параметров. - Омск: ОмПИ, 1986, с.43-51.

3 Малюк В.П. Температура как влияющая величина при аттестации стандартных образцов свойств электротехнической стали. - Всесоюзное научно-техническое совещание. «Обеспечение отраслей народного хозяйства стандартными образцами свойств магнитных сплавов». — Тезисы докладов, - Свердловск, 1982.

4 Меныциков В.А., Сивенцев A.A., Дмитриев Г.И., Малюк В.П. Автоматизированная установка ЦИКЛ-1 для измерения магнитных характеристик материалов. VI Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры ». - Тезисы докладов, - Л., 1983.

5 Малюк В.П., Гельруд A.B. Исследование погрешностей образцовой установки ЦИКЛ-3 для аттестации стандартных образцов свойств магнитомягких материалов. - VI Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов. — Тезисы докладов. -Львов, 1985.

6 Малюк В.П., Гельруд A.B. Метрологическая аттестация образцовой установки ЦИКЛ-4 для определения параметров стандартных образцов свойств магнитомягких материалов. - VIII Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов. — Тезисы докладов. - Новосибирск, 1989.

7 Вдовин Ю.А., Малюк В.П., Владимирова H.H., Шолина И.И. Исследование влияния коэффициента формы напряжения на удельные магнитные потери в электротехнической стали. - VII Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры» — Тезисы докладов. — Ленинград, 1989, с. 124.

8 Малюк В.П. Листовые стандартные образцы свойств электротехнической стали. Всесоюзная научно-техническая конференция « Стандартные образцы в метрологическом обеспечении народного хозяйства ». - Тезисы докладов. - Свердловск, 1989.

9 Дидик Ю.И., Малюк В.П. Метрологическое обеспечение контроля качества магнитомягких материалов. — Законодательная и прикладная метрология, 1997, № 6, с.36.

10 Малюк В.П., Соболев A.C., Малюк И.В. Влияние не синусоидальности режима перемагничивания на удельные магнитные потери в электротехнической стали. — XXTV Уральская конференция и выставка современных средств контроля и диагностики. Тезисы докладов, — Екатеринбург, 2009, с. 56.

11 Дидик Ю.И., Малюк В.П., Маслова Т.И., Малыгин М.А. О разработке государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь. - IV научно-техническая конференция «Метрология, измерения, учет и оценка качества электрической энергии». Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 2011, с.

12 Малюк В.П. Влияние закладок в аппарат Эпштейна стандартных образцов электротехнической стали на результаты измерения удельных магнитных потерь,- 1П Всероссийская конференция с международным участием «Стандартные образцы в измерениях и технологиях». Тезисы докладов. - Екатеринбург, 2011, с. 113-114.

13 Малюк В.П., Люхина И.В. Влияние не синусоидальности режима перемагничивания на удельные магнитные потери в стандартных образцах свойств электротехнической стали. - III Всероссийская конференция с международным участием «Стандартные образцы в измерениях и технологиях». Тезисы докладов. — Екатеринбург, 2011, с. 115.

14 Малюк В.П., Катаев В.А. Разработка стандартных образцов удельных магнитных потерь для поверки магнитоизмерительной аппаратуры. — 1-я международная научная конференция «Стандартные образцы в измерениях и технологиях». Тезисы докладов. Часть I - Екатеринбург, 2013, с. 239-247.

15 Соболев А.С., Малюк В.П., Плясунова C.B. Разработка комплектов универсальных стандартных образцов для поверки магнитных дефектоскопов. - 1-я международная научная конференция «Стандартные образцы в измерениях и технологиях». Тезисы докладов. Часть II - Екатеринбург, 2013, с. 65 - 72.

Маток Василий Павлович

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Формат 60x84 1/16 Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,08. Тираж 100 экз.

Отдел ИТ и НТИ ФГУП «УНИИМ» 620000, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4