ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по теме: Теоретическая оценка возможности регистрации давлений, перемещений и температур в объекте контроля беспроводным способом с использованием бистабильных ферромагнетиков

(заключительный)

Руководитель темы,

профессор, доктор техн. наук Г.В. Ломаев

Ижевск 2016

Список исполнителей

Руководитель темы

профессор, доктор техн. наук Г.В. Ломаев (постановка целей и задач, введение, главы 2-6, заключение, общая редакция )

Исполнители темы В.А. Степанов (экспериметы в главах 3-4), канд. техн. наук

К.А. Андрюшаев (эксперименты в главах 3-4, фотографии), аспирант

С.К. Водеников (глава 2, численное моделирование поля диполя), канд. техн. наук

Г.В. Каримова (глава 1, эксперименты, заключение, литература, редактирование), канд. физ. - мат. наук

Н.В. Хан (глава 2, численное моделирование поля диполя), инженер

С.В. Казанкин и М.А. Подсиверцева (эксперименты в главе 3), студенты

Я.Ю. Качарян (рисунки в отчете), бакалавр

Реферат

Отчет состоит из 40 страниц, 28 рисунков, 5 таблиц.

Ключевые слова: бистабильные ферромагнетики, магнитометры- градиентометры, измерение температуры, перемещений, деформаций.

Объект исследования данной НИР представляет собой сосуд диаметром 800 мм. Оболочка сосуда выполнена из стекловолоконного пластика толщиной 30 мм. Температура и давление внутри сосуда приводят к деформации и перемещению оболочки и изменению температуры на его поверхности. Измеряемые параметры: перемещение и деформация оболочки, температура поверхности стенки оболочки или, по возможности, распределение температуры по толщине стенки сосуда и динамика ее изменения во времени и пространстве. Поскольку между объектом и измерительным прибором имеется стенка из проводящего материала, то возможно построение магнито-измерительной системы. В качестве чувствительных элементов выбраны постоянные магниты на основе бистабильных сердечников, а в качестве измерителя изменений магнитных полей сердечников использованы магнитометрические приборы (феррозондовый магнитометр, прибор с индукционным датчиком и другие). В отчете приведены теоретические исследования возможности измерения параметров объекта и даны рекомендации по практической реализации разработанных принципов. Предложены принципы дистанционного измерения перемещения и деформаций оболочки объекта в диапазонах от 0 до 150 мм и более с приведенной погрешностью ±(1…5) % и температуры в квантованном диапазоне от 100 до 400 ^ОС через 50 ^ОС с погрешностью ±10 ^ОС.

Содержание

Введение
Глава 1. Бистабильные ферромагнетики и сердечники из них
Глава 2. Магнитное поле бистабильного сердечника и его регистрация
Расчет переменного поля диполя
Регистрация поля индукционным преобразователем (магнитной антенной)
Расчет постоянного поля диполя
Численное моделирование поля диполя
Регистрация поля феррозондовым магнитометром
Глава 3. Разработка принципов измерения перемещения, температуры, давления
Измерение перемещения бистабильного сердечника
Принципы измерение температуры поверхности оболочки объекта
Принципы измерения давления внутри камеры
Заключение
Список литературы

Нормативные ссылки

В настоящем отчете о НИР использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования

Обозначения и сокращения

В настоящем отчете о НИР применяют следующие обозначения и сокращения:

БСБ – большие скачки Баркгаузена

НИР – научно-исследовательская работа

НМА – наведенная магнитная анизотропия

СБ – скачки Баркгаузена

Введение

Техническим заданием по данной теме введены существенные ограничения на выбор физических принципов и технических средств решения проблемы. Данное обстоятельство двойственно повлияло на сложность решения поставленной задачи. С одной стороны работа облегчается тем, что нет необходимости в обзоре принципиально других подходов, так как это уже сделано заказчиком НИР. Заказчик взял на себя риск получения положительного решения проблемы с использованием бистабильных ферромагнетиков. С другой стороны, разработка измерительных процедур с использованием одного типа датчика, который ранее никогда не использовался для измерения предложенных техническим заданием, представляется для нашего коллектива неизведанной областью. Данное обстоятельство потребовало от коллектива достаточно больших усилий и изобретательности при разработке принципов измерения и проведения предварительных опытов.

В ранних исследованиях мы максимально расширяли диапазон практического использования эффекта Баркгаузена в различных областях измерений, контроля и автоматики. В представленных в данном отчете результатах исследованиях речь идет о разработке датчиков для измерения перемещения, температуры и давления. Физической основой датчиков является бистабильный эффект в ферромагнетиках. В физике такой эффект называют большими скачками Баркгаузена. Если за цикл перемагничивания ферромагнетик перемагничивается двумя скачками Баркгаузена, то такой сердечник мы называем в наших работах бистабильными сердечниками (БИСЕР), если четырьмя – четырехстабильными.

Сразу оговоримся, что в практическом плане решения проблемы мы можем под бистабильными ферромагнетиками понимать сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. Не имеет принципиального значения какой физический механизм перемагничивания приводит сердечник из ферромагнитного материала в одно из двух состояний намагниченности. Физика и технология получения бистабильных сердечников, их свойства описаны в главе 1 данного отчета. Приведены характеристики использованных сердечников.

Целью исследования является оценка возможности регистрации (измерения) перемещения, температуры на поверхности или в подповерхностном слое и деформации объекта с использованием первичных преобразователей из бистабильных ферромагнетиков.

Объект исследования данной НИР представляет собой сосуд диаметром 800 мм с оболочкой из стекловолоконного пластика толщиной 30 мм (рис.1). Температура и давление внутри сосуда приводят к деформации и перемещению стенки оболочки и изменению температуры на ее поверхности. Необходимо измерить следующие величины: перемещение и деформацию оболочки, температуру поверхности стенки. Поскольку заданием определен бесконтактный метод измерения и стенка объекта из проводящего материала, то возможно применение магнитных методов и измерительных средств. В качестве чувствительных элементов выбраны постоянные магниты на основе бистабильных сердечники, а в качестве измерителя изменений магнитных полей сердечников использован магнитометр-градиентометр. В отчете мы приводим результаты теоретических исследований возможности измерения параметров объекта и рекомендации по практической реализации разработанных принципов. А также предложены принципы дистанционного измерения температуры, перемещения и деформаций в заданных диапазонах. Погрешность и точки дискретности не оговорены техническим заданием, но консультативно установлены следующими значениями. Пороговая чувствительность измерения перемещения 1 мм. Температура оценивается в шести точках 100, 150, 200, 300 и 350 ^ОС и погрешностью 10 ^ОС. Давление измерялось косвенно по деформации оболочки объекта. Деформация составляет 5% и после пересчета эквивалентна 120 мм линейного диапазона измерения.

Рис. 1. Объект исследования и схема расположения датчиков (Д₁-Д₃ – датчики температуры, закрепленные на поверхности наружной стенки объекта, Д₁ – горизонтальный, Д₂ – вертикальный, Д₃ – перевернутый; Д₄-Д₅ – датчики перемещения до деформации оболочки (давление отсутствует), Д’₄-Д’₅ – перемещенные датчики после деформации оболочки; Д₆-Д₈ –датчики температуры, расположенные внутри оболочки)

При подготовке отчета использованы литературные источники, приведенные в разделе «Список литературы».

Заключение

1. Результаты теоретической оценки возможности регистрации давлений, перемещений и температур в объекте контроля с использованием чувствительных элементов из бистабильных ферромагнетиков и магнитометрической аппаратуры положительны.

2. Регистрация перемещения бистабильного ферромагнетика (например, БИСЕР-1 или аналогичного ему) осуществима высокочувствительной магнитометрической аппаратурой типа феррозондового магнитометра и регистратора с магнитной антенной.

3. Методы измерений прямые и косвенные:

- измерение перемещения осуществляется методом непосредственной оценки с тарировкой шкалы магнитометра в единицах измерения перемещения;

- измерение давления осуществимо косвенно через цепь следующих структурных преобразований физических величин – «давление – деформация диаметра оболочки объекта – приращение длины окружности – перемещение чувствительного элемента – измерение приращения поля»;

- оценка температуры осуществима дискретно в ограниченном числе заранее оговоренных температурных точек по точке плавления сплава крепящего чувствительный элемент;

- возможна регистрация перемещения заданного значения температурной волны по толщине стенки оболочки по точке Кюри внедренного в тело оболочки чувствительного элемента.

4. Проведены опыты с использованием чувствительных элементов: бистабильная ферромагнитная проволока из викаллоя-1 диаметром 0, 3 мм различной длины от 10 до 200 мм, постоянные магниты разных форм и размеров (неодимовый стержневой магнит с аксиальной намагниченностью с размером 5× 25 мм и другие).

5. В качестве измерителей магнитного поля в опытах использовались

- феррозондовый магнитометр собственной разработки (КИМП-91) с порогом чувствительности 0, 1 мкТл,

- индукционный регистратор Electrosensor (производство USA) с порогом чувствительности 0, 5 мкТл и частотным диапазоном от 0, 5 до 2000 Гц,

- индикатор магнитных бурь (разработка ИЗМИРАН) с порогом чувствительности 2 нТл,

- сверхминиатюрный 3-х компонентный геомагнитный сенсор, встроенный в смартфон Samsung Galaxy A5 с диапазоном измерений ±1200 мкТл и погрешностью ±0, 15 мкТл с выводом информации на ПК.

6. Приведенные в отчете результаты являются оценочными и позволяют сформулировать задачи дальнейших работ:

- выбрать наиболее оптимальные типы чувствительных элементов, включая размеры, материал и конструкцию;

- провести экспериментальные исследования для уточнения параметров информационно-измерительной системы;

- по выбранным типам чувствительных элементов и уточненным параметрам информационно-измерительной системы определить ее структуру;

- разработать и провести испытания системы в реальных условиях;

- определить химический состав сплавов с нормированными точками плавления в заданном диапазоне.

Литература

1. Г.В. Ломаев, Г.В. Каримова Датчики Баркгаузена: монография. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – 368 с.

2. Ломаев Г.В. Исследование метода эффекта Баркгаузена и его применение в измерениях, автоматике и контроле материалов иокружающей среды. Дис….докт. техн. Наук. – Ижевск, 1998. – 360 с.

3. Ахизина С.П. Бистабильные магнитные элементы из сплава викаллой: технологический, физический и прикладной аспекты исследования: Дис.... канд. физ.-мат. наук. – Ижевск, 1997. – 224с.

4. Ломаев Г.В., Мерзляков Ю.М. Эффект Баркгаузена.- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. – 164 с.

5. Vazguez M., Gomez – Polo C., Chen D.X., Hernando A.Magnetic bistability of amorphous wires and sensor applications // IEEE Trans. Magnetics. – 1994. – Vol. 30. – ¹. 2. – P. 907-912.

6. С.А.Баранов, В.Ф.Башев, Л.С.Бойко, С.К.Зотов, В.С.Ларин, А.В.Торкунов. Структура и свойства быстрозакаленного микропровода на основе Fe(Co, Ni, Mn) – B – Si – C// Сб.научных трудов «Структура и свойства быстроохлажденных сплавов», Днепропетровск, 1988. – С. 67-69.

7. 97. Носкова Н. И., Вильданова Н. Ф., Потапов А. П., Глазер А. А. Влияние деформации и отжига на структуру и свойства аморфных сплавов//Физика металлов и металловедение, 1992, №2, с. 102-110.

8. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы: Пер. с япон./ Под ред. И.Б. Кекало. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.

9. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. – М.: Металлургия, 1986. – 242 с.

10. Пономарев Б.К., Жуков А.П. Влияние температуры на распределение флуктуаций поля старта аморфного сплава Fe₅Co₇₀ Si₁₀B₁₅// ФТТ. – 1985. – Т.27. – №2. – С.444–448.

11. Абросимова Г.Е., Аронин А.С., Кабанов Ю.П., Матвеев Д.В., Молоканов В.В., Рыбченко О.Г. Зависимость микроструктуры и магнитных свойств массивного аморфного сплава Fe₇₂Al₅P₁₀Ga₂C₆B₄Si₁от термообработки// Физика твердого тела, вып. 12, 2004. – С. 2158-2163.

12. Кринчик Г.С., Чепурова Е.Е., Пономарев Б.К., Ахматова О.П., Жуков А.П. Экспериментальное исследование областей обратной намагниченности в аморфном сплаве Co₇₀Fe₅Si₁₀B₁₅// Известия вузов МВ и ССо СССР, серия «Физика», №3, 1988. - С. 89-94.