便攜式取向硅鋼鑒別儀及其測(cè)量方法的研究

范　雯　侯瑞芬　張志高　賀　建　胡曉榮　林安利　王京平

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

硅鋼是電力、家電和儀器制造工業(yè)中不可缺少的重要磁性材料，主要分為冷軋無取向和冷軋取向硅鋼。近年來，我國(guó)電力行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)取向硅鋼的需求量巨大。由于技術(shù)門檻高，國(guó)內(nèi)產(chǎn)能有限，取向硅鋼價(jià)格一度飆升，造成全國(guó)每年需要從國(guó)外進(jìn)口大量的取向硅鋼片。但在我國(guó)出入境檢驗(yàn)中，取向和無取向硅鋼的海關(guān)稅率和監(jiān)管方式都不盡相同[1]，經(jīng)常有不法商人在進(jìn)口硅鋼片時(shí)，利用其外觀難以分辨的特點(diǎn)，把取向硅鋼謊報(bào)成無取向硅鋼以逃避高稅值，從而給國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成重大損失。因此，硅鋼的取向性鑒別技術(shù)已成為打擊偷稅漏稅、維護(hù)市場(chǎng)穩(wěn)定、保障國(guó)家重要領(lǐng)域發(fā)展的有力工具。雖然冷軋無取向硅鋼和取向硅鋼在涂層表面質(zhì)量、厚度、密度和力學(xué)性能等上所表現(xiàn)出的性能都不盡相同，但最準(zhǔn)確、有效的鑒別方法是利用其磁性能方面的差異，即硅鋼片橫縱方向上比總損耗比值的定量差異作為鑒別依據(jù)[2]。

目前，國(guó)際上測(cè)量比總損耗的標(biāo)準(zhǔn)方法為Epstein方圈法[3]和SST單片測(cè)量法[4]兩種，其共同具備的優(yōu)點(diǎn)是采用閉磁路測(cè)量，具備理想的復(fù)現(xiàn)性和準(zhǔn)確性，但均需要將硅鋼片剪切成規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試。在出入境檢驗(yàn)中，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且其樣品往往不能代表整卷硅鋼的性能。因此，急需研制科學(xué)、便捷的硅鋼取向性鑒別儀器以滿足出入境檢驗(yàn)的需求。

1　取向硅鋼鑒別儀的基本原理

硅鋼片的比總損耗是在給定頻率，給定磁感應(yīng)峰值下測(cè)量其交流磁滯回線所包圍的面積[5]。通過測(cè)量在固定頻率50Hz，磁感應(yīng)峰值為1.5T時(shí)，硅鋼片橫向和縱向的比總損耗的比值的大小來鑒別其取向性。如圖1所示，U型磁軛采用高磁導(dǎo)率的硅鋼材料疊片制成并在其上繞有勵(lì)磁線圈N1。勵(lì)磁磁軛一端從感應(yīng)線圈N2中穿過并與樣品緊密接觸，另一端在感應(yīng)線圈外與樣品接觸，與硅鋼片形成回路。通過對(duì)繞在U形疊片硅鋼片的初級(jí)線圈N1勵(lì)磁，并測(cè)量固定在磁導(dǎo)計(jì)的底座中的次級(jí)線圈N2的感應(yīng)電壓。如圖2所示，采用伏安法測(cè)量原理，在固定頻率50Hz下采用雙通道A/D對(duì)電流和電壓同步實(shí)時(shí)、整周期采樣，從定義出發(fā)計(jì)算比總損耗。

圖1　便攜式取向硅鋼鑒別儀原理示意圖

圖2　伏安法原理圖

(1)

(2)

式中，N1為初級(jí)繞組匝數(shù)；N2為次級(jí)繞組匝數(shù)；l為等效磁路長(zhǎng)度；S為樣品截面積。由式(1)和式(2)可推導(dǎo)出：

(3)

式中，Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值。由式(3)可以看出頻率f、次級(jí)繞組匝數(shù)N2，樣品截面積S為已知，Bm的大小直接與電壓的平均值成正比。因此，對(duì)平均值電壓的鎖定即為對(duì)磁感應(yīng)峰值的鎖定，對(duì)次級(jí)感應(yīng)電壓即平均值電壓的鎖定是整個(gè)裝置的技術(shù)關(guān)鍵。

最后通過采樣電壓和電流計(jì)算出比總損耗。

(4)

(5)

其中，Pt為比總損耗；ma為有效質(zhì)量；PC為試樣消耗的功率；P為有功功率。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由鋰電池電源模塊、32位單片機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)源、功率放大器、雙通道14位A/D和14位D/A等構(gòu)成。其鋰電池電源模塊的容量為22000mAh，可保證儀器獨(dú)立工作3小時(shí)左右。單片機(jī)系統(tǒng)包含了觸摸屏顯示、鍵盤管理和RS232接口等外圍器件，具備參數(shù)輸入、結(jié)果輸出及與上位機(jī)通訊等功能。

圖3　取向鑒別儀的硬件框圖

32位的單片機(jī)是本測(cè)試儀的智能控制單元，由該單片機(jī)設(shè)置信號(hào)源的頻率，并控制14位D/A經(jīng)積分器調(diào)節(jié)輸出電壓，采用伏安法測(cè)量原理，在50Hz頻率下對(duì)電流和電壓同步實(shí)時(shí)、整周期采樣，通過雙通道A/D每周期每通道采樣128個(gè)點(diǎn)，并將其輸入單片機(jī)根據(jù)定義計(jì)算出鐵損。完成樣品參數(shù)的輸入、采樣頻率的設(shè)置和磁感峰值的設(shè)定等功能。

其中，信號(hào)源單元的硬件原理如圖4所示，單片機(jī)的高速輸出器HSO端口向鎖相環(huán)發(fā)送200Hz，240Hz的時(shí)鐘頻率。經(jīng)分頻器及鎖相環(huán)，使該頻率倍頻28倍并輸入到計(jì)數(shù)器中。計(jì)數(shù)器通過10位地址線連接ROM查詢正弦波表，ROM中存有1個(gè)周期正弦波(1024個(gè)點(diǎn))，再由數(shù)據(jù)線連接8位D/A，驅(qū)動(dòng)D/A輸出，經(jīng)過濾波最終得到頻率為50Hz，60Hz的正弦波。其中LK為反饋信號(hào)，用來調(diào)節(jié)D/A的基準(zhǔn)電壓，達(dá)到改變并鎖定輸出電壓的目的。

圖4　信號(hào)源硬件框圖

圖5　儀器校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖

3　裝置的校準(zhǔn)及測(cè)量結(jié)果

3.1　測(cè)量裝置的校準(zhǔn)

根據(jù)式(5)可知，比總損耗測(cè)量是在給定磁感應(yīng)峰值B下測(cè)量的損耗，因此，其磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值和功率的大小直接影響比總損耗測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)便攜式取向硅鋼鑒別儀裝置校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

由下列公式推導(dǎo)可知，其磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與平均值電壓在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格成正比，即鎖定平均值電壓即鎖定磁感應(yīng)峰值[6]，因此，采用2001平均值電壓表采集次級(jí)感應(yīng)線圈的電壓，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果見表1，從結(jié)果可以看出，誤差都在1%以內(nèi)。

(6)

(7)

(8)

(9)

表1　磁感應(yīng)峰值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

為校準(zhǔn)功率，將取向硅鋼鑒別儀的初級(jí)電流和次級(jí)電壓分別輸入功率表的電流端和電壓端，在頻率為50Hz的前提下，通過2335功率表將功率直接讀出并進(jìn)行校準(zhǔn)，此時(shí)讀出的功率為采樣電流與采樣電壓的乘積。校準(zhǔn)結(jié)果見表2，從結(jié)果可以看出，誤差都在1%以內(nèi)。

表2　表2　功率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

3.2　測(cè)量結(jié)果

通過上文所述的校準(zhǔn)方法分別對(duì)磁感應(yīng)峰值和功率等進(jìn)行校準(zhǔn)，使用校準(zhǔn)后的便攜式取向硅鋼鑒別儀在頻率為50Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值為1.5T的條件下，分別對(duì)不同類型的取向和無取向樣品進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果分別如表3和表4所示：

表3　無取向硅鋼測(cè)量數(shù)據(jù)

表4　取向硅鋼測(cè)量數(shù)據(jù)

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用本文研制的便攜式取向硅鋼鑒別儀測(cè)量無取向硅鋼橫縱方向比總損耗的比值均小于1.5；且取向硅鋼的橫縱方向的比總損耗比值均大于3。因此，可通過硅鋼片的橫縱性能差異，較準(zhǔn)確的判斷冷軋硅鋼的取向性。

4　結(jié)論

本文研制了便攜式取向硅鋼鑒別儀，在不破壞硅鋼片的前提下，能夠快速利用橫縱向比總損耗的比值來鑒別硅鋼的晶粒取向性。該儀器具有便攜式和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，使之能夠滿足我國(guó)出入境檢驗(yàn)中日益增長(zhǎng)的對(duì)冷軋硅鋼取向性進(jìn)行快速鑒別的要求。對(duì)該儀器進(jìn)行校準(zhǔn)后，使用本文研制的儀器對(duì)無取向硅鋼和取向硅鋼的橫縱向比總損耗分別進(jìn)行測(cè)試，取向硅鋼的橫縱方向的比總損耗比值均大于3，無取向硅鋼橫縱方向的比總損耗的比值均小于1.5，可準(zhǔn)確判斷冷軋硅鋼的取向性。

[1]傅志強(qiáng)，等.冷軋硅鋼片取向性的鑒別方法[J].磁性材料及器件，2011(4)

[2]莫明珍，等.冷軋硅鋼片晶粒取向和無取向鑒定方法[J].檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊，2010(6)

[3]IEC 60404-2 Magnetic materials - Part 2: Methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel sheet and strip by means of an Epstein frame

[4]IEC 60404-3 Magnetic materials - Part 3: Methods of measurement of the magnetic properties of magnetic sheet and strip by means of a single sheet tester

[5]JJG1013-1989 磁學(xué)計(jì)量常用名詞術(shù)語及定義.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1989

[6]林安利，等.中國(guó)電氣工程大典第三卷第二篇第六章(第一版).北京：中國(guó)電力出版社，2009