Измерение магнитных характеристик материалов вакуумных коммутирующих устройств

Актуальность работы. Быстрое развитие наукоемких отраслей промышленности, формирование новых направлений научных исследований требуют опережающего совершенствования существующих средств измерений (СИ) различных физических величин.

Заметную долю в общем объеме измерительных операций в электронной и электротехнической промышленности, в ходе научных исследований в области материаловедения, составляют измерения магнитных характеристик и параметров магнитных материалов, а также изделий из них. Такие измерения необходимо проводить, в частности, при разработке новых типов радиоэлектронной аппаратуры и аппаратуры средств связи, в состав которых входят различные электромагнитные и индуктивные устройства, например, вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ).

ВКУ являются изделиями специального назначения и широко используются в радиотехнических объектах в качестве коммутирующих элементов. Областью применения ВКУ является стационарная и бортовая аппаратура связи, комплексы радиоэлектронного противодействия PJ1C и другие радиотехнические объекты для переключения антенных цепей, отводов катушек высокочастотных резонансных контуров, конденсаторов высокочастотных цепей в ан-тенно-согласующих устройствах в режиме бестоковой коммутации [22, 52].

Практически все ВКУ различных конструктивных исполнений содержат в своем составе магнитную систему в виде магнитопровода. Основные коммутационные параметры, а также надежность ВКУ зависит от магнитных и, в меньшей степени, от физико-механических свойств, используемой в магпито-проводе специальной электротехнической стали. Несоответствие магнитных характеристик и параметров электротехнической стали требованиям, указанным в нормативно-технической документации, вызывает брак в производстве ВКУ, что влечет за собой значительные финансовые потери.

Состояние проблемы. Задачи интенсификации производства, повышение уровня метрологического обеспечения производства ВКУ требуют создания новых и совершенствования имеющихся СИ. Решить эти задачи комплексно только с помощью стандартных приборов практически невозможно, так как образовался разрыв между новыми разработками самих магнитных материалов, появлением новых задач измерений магнитных характеристик и контроля физико-механических свойств и устаревшими однопараметрическими средствами измерений соответствующих характеристик и параметров магнитных материалов. Магнитные характеристики электротехнической стали, как при разработке, так и в процессе технологического контроля при их изготовлении зачастую измеряются морально устаревшими приборами с низкой степенью автоматизации. Существующие приборы не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СИ либо по числу измеряемых магнитных характеристик, либо по пределам измерения, форме и размерам исследуемых образцов, по быстродействию, по точности и т. д.

В связи с ужесточением требований к качеству ВКУ возникла необходимость повышения точности измерений магнитных характеристик стали и увеличения объема информации о ее свойствах. Эту задачу можно решить путем разработки и внедрения в производство автоматизированных, многофункциональных, быстродействующих и высокоточных средств измерений, основанных на использовании современных достижений микроэлектроники и вычислительной техники.

Наиболее значимые результаты в создании теории и практики данного научного направления получены коллективами под руководством Антонова В. Г., Кифера И. И., Клюева В. В., Ломтева Е. А., Чечерникова В. И., Че-чуриной Е.Н., Шатерникова В. Е. и др.

Актуальность решения поставленных вопросов и обусловила постановку данной работы.

Целью диссертационной работы является разработка способов и обладающих повышенной точностью и быстродействием многофункциональных средств измерений магнитных характеристик электротехнической стали.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:

1) анализ объекта исследования, выбор информативных параметров и определение требований к точности средств измерений магнитных характеристик;

2) анализ и систематизация методов измерений магнитных характеристик электротехнической стали с целью выявления и развития наиболее перспективного метода;

3) разработка алгоритмов измерений магнитных характеристик электротехнической стали;

4) разработка конструкции и моделирование работы измерительных преобразователей магнитных величин, расчет технических параметров и выбор способа обработки измерительного сигнала;

5) теоретическое обоснование технических решений основных узлов разрабатываемого СИ, обеспечивающих требуемые эксплуатационные параметры и метрологические характеристики;

6) метрологический анализ и техническая реализация автоматизированного средства измерений магнитных характеристик.

Методы исследований базируются на положениях теории электрических цепей, теории погрешностей, теории вероятностей и математической статистики, математического анализа. Теоретические исследования проводились с использованием сред моделирования MathCAD и Excel.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Обоснованы перспективность и дальнейшее развитие индукционно-импульсного метода, позволяющего измерять магнитные характеристики с коммутационным и ступенчатым режимами изменения магнитного поля.

2 Предложена методика определения необходимого количества точек аппроксимации для построения статической петли гистерезиса с заданной достоверностью на основе метода получения устойчивых оценок Вальда или Бар-летта и критерия достоверности Фишера.

3 Для прямолинейных и кольцевых образцов электротехнической стали получено уравнение связи между коэрцитивной силой и напряженностью магнитного поля, соответствующей индукции технического насыщения. Уравнение связи позволяет получить предельную петлю гистерезиса без проведения дополнительных измерений.

4 Разработаны алгоритмы автоматизированного измерения магнитных характеристик и автоматизированная измерительная установка, реализующая эти алгоритмы.

Практическая значимость.

1 Использование разработанных измерительных преобразователей магнитных величин позволяет автоматизировать процесс измерений магнитных характеристик стали и повысить его точность.

2 Разработана и внедрена в технологический процесс изготовления вакуумных коммутирующих устройств методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик электротехнической стали.

3 На основе разработанных алгоритмов измерений магнитных характеристик и предложенных технических решений разработана автоматизированная измерительная установка, позволяющая измерять магнитные характеристики электротехнической стали и контролировать ее физико-механические свойства.

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанной методике выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик электротехнической стали, согласованной представительством заказчика Министерства обороны Российской Федерации и в измерительной установке МИУ-1 для измерений магнитных характеристик электротехнической стали.

Измерительная установка МИУ-1 внедрена в технологический процесс изготовления ВКУ в ФГУП «НИИ электронно-механических приборов», применяется для измерений магнитных характеристик трансформаторной стали в ЗАО «Пензенская горэлектросеть», для исследований магнитных свойств аморфного магнитомягкого микропровода в ООО «НПП Вичел», внедрена в процесс обучения студентов по специальности «Электрические и электронные аппараты» Пензенского государственного университета.

На защиту выносятся:

1 Алгоритмы процесса автоматизированного измерения магнитных характеристик электротехнической стали для образцов прямолинейной и кольцевой формы.

2 Методика определения количества точек аппроксимации для построения статической петли гистерезиса, позволяющая на основе метода получения устойчивых оценок Вальда или Барлетта оптимизировать процесс интерполяции зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля.

3 Комплекс рекомендаций по исполнению измерительных преобразователей для исследований образцов электротехнической стали, в максимальной степени адаптированных к решению измерительных задач, типичных для данного класса магнитных материалов.

4 Уравнение связи между коэрцитивной силой электротехнической стали и напряженностью поля, соответствующей индукции технического насыщения, позволяющего получить предельную петлю гистерезиса без проведения дополнительных измерений.

5 Способ определения магнитных и физико-механических свойств миниатюрных образцов электротехнической стали со сложной геометрической формой на основе индукционного метода.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на: XXII научно-технической конференции «Наукоемкие проекты и высокие технологии производству XXI века» (Пенза, 2003) — Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2004) — Международной научно-технической конференции «Высокочистые материалы функционального назначения» (Суздаль, 2004) — Международной научно-технической конференции «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (Пенза, 2005) — Международном Симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2006) — III Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2006).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 печатные работы в журналах, рекомендуемых ВАК, 5 печатных работ без соавторов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 167 листах.

Список литературы

включает 94 наименования.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в рамках настоящей диссертационной работы, заключаются в следующем.

1 На основе проведенного анализа методов измерений статических магнитных характеристик установлена перспективность индукционно-импульсного метода с коммутационным и ступенчатым режимами изменения магнитного поля.

2 Предложена и теоретически обоснована методика определения количества точек аппроксимации для построения петли гистерезиса на основе метода получения устойчивых оценок Вальда или Бартлетта и критерия Фишера.

3 Разработаны алгоритмы измерений статических магнитных характеристик, позволяющие автоматизировать процесс и повысить точность измерений.

4 Экспериментально получены значения коэффициентов пропорциональности между напряженностью, соответствующей индукции технического насыщения и коэрцитивной силой для образцов электротехнической стали прямолинейной и кольцевой форм.

5 Разработаны и технически реализованы измерительные преобразователи магнитных величин, определены их конструктивные и электрические параметры, удовлетворяющие необходимым технологическим и метрологическим требованиям.

6 На основе функциональной модели измерительной установки определены основные источники погрешности и разработана методика ее поверки.

7 Установлено, что изменение температуры образцов электротехнической стали в диапазоне от 20 до 80 °C, происходящее в процессе измерений, не существенно влияет на магнитные свойства исследуемых образцов.

8 Разработана и внедрена в технологический процесс изготовления вакуумных коммутирующих устройств методика выполнения измерений, позволяющая с использованием автоматизированной измерительной установки.

МИУ-1, проводить измерения магнитных характеристик с погрешностью не более ± 3%, что позволило разработать индивидуальные режимы отжига каждой марки электротехнической стали и снизить брак в производстве вакуумных коммутирующих устройств.

Заключение

.