9.1 Интеллектуальные средства измерения магнитных параметров материалов

Отличительными чертами рассматриваемой области из­мерений являются многообразие магнитных параметров, режимов намагничивания и необходимость производить обработку получен­ных при измерениях данных, поскольку большинство параметров определяется путем косвенных измерений. При малом уровне ав­томатизации требуются большая затрата времени на испытания магнитных материалов, а также высокая квалификация экспери­ментатора. В свете современных успехов в области вычислитель­ной техники и микроэлектроники автоматические измерения маг­нитных параметров материалов могут быть выполнены существу­ющим стандартным набором технических решений на основе ти­повых аппаратных структур. Периодический в большинстве случаев процесс перемагничивания говорит о сравнительно огра­ниченном количестве измерительной информации, проходящей по измерительным каналам. Это позволяет производить аналого-циф­ровое преобразование измеряемых величин с произвольно уста­навливаемой скоростью, не зависящей от частоты перемагничи­вания. Здесь реализуется общая идея стробоскопического метода измерений.

Интеллектуальные автоматизированные универсальные средства измерений мо­гут работать следующим образом. Выходные сигналы первичных преобразователей магнитных величин поступают на устройства выборки-хранения с временем выборки до долей микросекунды, т. е. с полосой пропускания до единиц мегагерц и более. В те­чение времени хранения от десятков микросекунд до единиц мил­лисекунд происходит аналого-цифровое преобразование выходных сигналов посредством точных аналого-цифровых преобразовате­лей (АЦП) сравнительно низкого быстродействия. Полученные таким образом цифровые данные поступают в вычислительное устройство — микропроцессор или однокристальную ЭВМ для накопления и обработки. Предварительно эти данные (при недо­статочном быстродействии микропроцессора) могут быть накоп­лены в быстродействующей буферной памяти. Затем происходит необходимая обработка цифровых данных для получения жела­емого параметра или характеристики. Выходной сигнал первич­ного преобразователя может быть пропорционален измеряемой магнитной величине или ее производной и даже может быть свя­зан с ней какой-либо другой известной функцией. Это несуще­ственно, так как необходимое выделение магнитной величины путем, например, интегрирования или другой операции осуществля­ется легко не аппаратным, а программным путем без потери точ­ности в цифровом виде. После окончания процедуры вычислений результаты выдаются в желаемом виде на любом стандартном периферийном устройстве: графопостроителе, дисплее, цифро-печатающем устройстве, перфораторе и т. п. В случае включения автоматизированного средства измерений в обратную связь уп­равления технологическим процессом производства магнитного материала, результаты измерений должны соответствующим об­разом оперативно корректировать этот процесс с целью достиже­ния наилучших качественных показателей.

Рассмотрим в качестве примера автоматическое устройство для измерения координат семейства магнитных петель и опреде­ления по ним всех производных характеристик — основных кри­вых намагничивания, различных видов магнитной проницаемости, удельных потерь, характеристик по первым гармоникам и т. п. в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до десятков кило­герц.

Прежде всего остановимся на некоторых существенных вопро­сах методики проведения измерений, формы представления ре­зультатов измерений и алгоритмах обработки этих результатов.

Выше было указано влияние на магнитные петли режима на­магничивания, т. е. режима изменения во времени магнитной индукции и напряженности, который важно знать в качестве до­полнительной информации, как правило, не содержащейся в ре­зультатах измерений координат петель. Есть, однако, способ за­дания петли, позволяющий получать эту информацию. Достаточно обеспечить параметрическое задание петли, когда в зависимости от времени или какого-либо другого параметра задаются кривые индукции и напряженности. В случае цифрового представления петли в виде совокупности ее пар координат указанные зависимо­сти представляют в моменты времени, которые делят период на­магничивания на равные части.

Обработка результатов измерений координат магнитных пе­тель возможна лишь при их представлении в виде аналитической аппроксимации. Аппроксимация в параметрическом виде имеет очевидные удобства, связанные с однозначностью кривых магнит­ной индукции и напряженности, в то время как сама петля в де­картовых координатах всегда неоднозначна, а в полярных может быть неоднозначна. Искомое аналитическое приближение дол­жно удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, оно дол­жно быть «сглаживающим», поскольку результаты измерений со­держат погрешности средств измерений. Во-вторых, оно должно быть достаточно простым и удобным для вычислений. Наконец, в-третьих, это приближение должно быть наглядным и по возмож­ности иметь физический смысл. Наибольшее распространение в такого рода задачах нашло приближение на основе метода наи­меньших квадратов, когда аппроксимирующая функция выбрана так, чтобы минимизировать сумму квадратов отклонения от ее экспериментальных точек. В рамках метода наименьших квад­ратов аппроксимация ортогональными многочленами или тригоно­метрическими полиномами имеет то преимущество, что улучше­ние аппроксимации путем добавления последующих членов не изменяет ранее вычисленных коэффициентов при предыдущих членах. Выбор должен быть сделан в пользу тригонометрических поли­номов, поскольку они удовлетво­ряют поставленным выше требова­ниям, а физический смысл аппрок­симации при их использовании заключается в том, что коэффици­енты полиномов суть амплитуды гармонических составляющих спек­тров магнитной индукции и напря­женности.

В соответствии с теоремой Котельникова минимально необходи­мое число пар координат на одну петлю должно вдвое превышать максимальный номер гармоники в разложении в ряд Фурье кривых магнитной индукции и напряженности, амплитуда кото­рых еще соизмерима с погрешностью измерения. Обычно число таких гармоник не превышает 15—30, и, следовательно, число п необходимых пар координат на каждую петлю не более 30—60. Функциональная схема рассматриваемого устройства приве­дена на рисунок 1. Оно работает следующим образом. По цифро­вым сигналам управления с выхода микропроцессора МП цифро-аналоговый преобразователь ЦАП формирует аналоговый сигнал заданной формы и частоты, подаваемый на вход источника на­магничивающего тока ИНТ, поддерживающего заданный режим намагничивания образца О. Выходные сигналы первичных преобразователей ПП магнитных параметров: ЭДС индукции, холловской ЭДС, на­магничивающего тока и т. п. поступают на вход устройства вы­борки-хранения УВХ, стробируемые микропроцессором. В моменты появления стробимпульсов устройства выборки-хранения запо­минают в аналоговом виде входной сигнал на время, достаточное для преобразования его аналого-цифровыми преобразователями АЦП в цифровую форму. Эти цифровые сигналы запоминаются в буферной памяти процессора. После получения таким обра­зом п пар результатов в каналах измерения индукции и напря­женности происходит дискретное увеличение амплитуды намагни-

Рисунок 1 - Функциональная схема интеллектуального средства измерения магнитных петель

индукций от амплитуды напряженности. Магнитные измерения, традиционно считающиеся сравнительно сложными, являются под­ходящей областью для широкого внедрения автоматизированных средств измерений на основе современной электроники и вычис­лительной техники.

Успешно используется метод компарирования при создании I интеллектуальных магнитоизмерительных систем (МИС) и комплексов, применяемых для измерения параметров неоднородных магнитных полей, а также для исследования температурных характеристик и ста­бильности параметров сложных магнитных систем. При использо­вании метода разновременного косвенного сравнения в качестве КП лучше всего применять преобразователи Холла, которые отли­чаются малыми габаритами, широким рабочим диапазоном темпе­ратур, высокой чувствительностью и относительно хорошей крат­ковременной стабильностью параметров . В качестве меры магнитной индукции для воспроизведения магнитного поля с ин­дукцией выше 0,01 Тл наиболее пригодным является электромаг­нит броневого типа, индукция в рабочем зазоре которого контро­лируется автоматическим тесламетром ЯМР.

В зависимости от задачи исследования КП может быть одно-, двух- или трехкомпонентным, а также перемещаться по опреде­ленной программе по одной или нескольким координатам.

Успешно используется метод компарирования при создании I интеллектуальных магнитоизмерительных систем (МИС) и комплексов, применяемых для измерения параметров неоднородных магнитных полей, а также для исследования температурных характеристик и ста­бильности параметров сложных магнитных систем. При использо­вании метода разновременного косвенного сравнения в качестве КП лучше всего применять преобразователи Холла, которые отли­чаются малыми габаритами, широким рабочим диапазоном темпе­ратур, высокой чувствительностью и относительно хорошей крат­ковременной стабильностью параметров . В качестве меры магнитной индукции для воспроизведения магнитного поля с ин­дукцией выше 0,01 Тл наиболее пригодным является электромаг­нит броневого типа, индукция в рабочем зазоре которого контро­лируется автоматическим тесламетром ЯМР.

В зависимости от задачи исследования КП может быть одно-, двух- или трехкомпонентным, а также перемещаться по опреде­ленной программе по Применяемая в МИС микро-ЭВМ используется не Только как вычислитель, но и для управления работой составляющих МИС, например координатного устройства.

На рисунке 2 показана структурная схема МИС для исследова­ния топографии магнитного поля, температурных характеристик и стабильности фокусирующих систем с осесимметричным магнит­ным полем. В качестве КП используется преобразователь Холла (ПХ), который перемещается шаговым двигателем ШД, управляе­мым ЭВМ. Информация о значении индукции в отдельных точках рабочего объема исследуемой системы, соответствующих каждому

Рисунок 2 Структурная схема МИС для исследования топографии магнитного поля

шагу ПХ, в виде напряжения с ПХ через усилитель У подается на входы преобразователей АЦП1 и АЦП2, код с которых поступает в ЭВМ. Преобразователь АЦП1 — быстродействующий, но С ма­лым числом разрядов, а АЦП2 — более точный, но с меньшим быстродействием. Для увеличения быстродействия МИС преду­смотрены три скорости перемещения ПХ. Между контролируе­мыми участками скорость определяется тактовой частотой шагоодной или нескольким координатам чик тесламетра ЯМР (ДЯМР). После этого поочередно код из за­поминающего устройства через преобразователь ЦАП подается на управляемый источник тока УИТ, питающий обмотку меры ММИ. При этом с помощью ЭВМ сравнивается выходное напряжение ПХ с напряжением, зафиксированным в запоминающем устройстве при нахождении ПХ в заданной точке исследуемой магнитной си­стемы.

Точная настройка магнитной индукции в зазоре меры ММИ производится генератором линейно изменяющегося тока ГЛИТ, который управляется от ЭВМ. Ток генератора ГЛИТ, питающего дополнительную обмотку меры ММИ, фиксируется при равенстве указанных напряжений, и включается тесламетр 'ЯМР, показания которого подаются в ЭВМ или прямо записываются .регистрирую­щим устройством РУ. При этом в ЭВМ подаются также резуль­таты измерения температуры ПХ при его нахождении в мере ММИ, которые используются для коррекции температурных по­грешностей ПХ.

При определении температурных характеристик магнитных си­стем с постоянными магнитами исследуемая система, мера ММИ с датчиком ЯМР помещаются в термокриостат. В зависимости от применяемых ПХ и датчиков ЯМР рабочий диапазон МИС состав­ляет 4,2—500 К.

Погрешность измерения магнитной индукции с помощью МИС в зависимости от неоднородности исследуемого поля составляет 0,01—0,2 %. Результаты измерений параметров магнитного поля выводятся на дисплей, графопостроитель и цифропечать.

В связи с трудностью создания меры магнитной индукции пе­ременного магнитного поля при использовании метода компарирования для измерения в качестве образцовых мер применяются меры магнитной индукции постоянного поля, а в качестве КЛ — магниторезистор или два каскадно включенных преобразователя Холла .

Такие КП имеют близкие к квадратичным функции преобра­зования, что позволяет сравнивать действующее значение магнит­ной индукции переменного поля с индукцией постоянного поля.

При использовании гальваномагнитных КП можно произво­дить компарирование магнитной индукции переменных и постоян­ных полей только в относительно узком диапазоне (0,05—0,1 Тл), ограниченном снизу малой чувствительностью КП, а сверху — уве­личением составляющей погрешности, обусловленной отклонением реальной функции преобразования КП от квадратичной, которое превышает 1%. Увеличить диапазон измерений можно, если в ка­честве КП применить индукционный преобразователь, который по­очередно помещается в переменное и постоянное магнитные поля; при этом в постоянном поле он приводится во вращательное или колебательное движение с частотой, равной частоте переменного поля. Этот метод целесообразно применять, когда форма кривой измеряемой магнитной индукции близка к синусоидальной.

Точные измерения индукции переменных магнитных полей в широком частотном диапазоне можно осуществить с помощью магнитооптических компараторов одновременного сравнения, ос­нованных на эффекте Фарадея . При частоте перемен­ного магнитного поля от единиц герц до десятков килогерц по­грешность измерения магнитной индукции не превышает 0,2— 0,3%.