便携式取向硅钢鉴别仪及其测量方法的研究

范　雯　侯瑞芬　张志高　贺　建　胡晓荣　林安利　王京平

(中国计量科学研究院，北京 100029)

0　引言

硅钢是电力、家电和仪器制造工业中不可缺少的重要磁性材料，主要分为冷轧无取向和冷轧取向硅钢。近年来，我国电力行业的快速发展，对取向硅钢的需求量巨大。由于技术门槛高，国内产能有限，取向硅钢价格一度飙升，造成全国每年需要从国外进口大量的取向硅钢片。但在我国出入境检验中，取向和无取向硅钢的海关税率和监管方式都不尽相同[1]，经常有不法商人在进口硅钢片时，利用其外观难以分辨的特点，把取向硅钢谎报成无取向硅钢以逃避高税值，从而给国家经济造成重大损失。因此，硅钢的取向性鉴别技术已成为打击偷税漏税、维护市场稳定、保障国家重要领域发展的有力工具。虽然冷轧无取向硅钢和取向硅钢在涂层表面质量、厚度、密度和力学性能等上所表现出的性能都不尽相同，但最准确、有效的鉴别方法是利用其磁性能方面的差异，即硅钢片横纵方向上比总损耗比值的定量差异作为鉴别依据[2]。

目前，国际上测量比总损耗的标准方法为Epstein方圈法[3]和SST单片测量法[4]两种，其共同具备的优点是采用闭磁路测量，具备理想的复现性和准确性，但均需要将硅钢片剪切成规定的标准尺寸并在实验室中进行测试。在出入境检验中，不仅费工费时，而且其样品往往不能代表整卷硅钢的性能。因此，急需研制科学、便捷的硅钢取向性鉴别仪器以满足出入境检验的需求。

1　取向硅钢鉴别仪的基本原理

硅钢片的比总损耗是在给定频率，给定磁感应峰值下测量其交流磁滞回线所包围的面积[5]。通过测量在固定频率50Hz，磁感应峰值为1.5T时，硅钢片横向和纵向的比总损耗的比值的大小来鉴别其取向性。如图1所示，U型磁轭采用高磁导率的硅钢材料叠片制成并在其上绕有励磁线圈N1。励磁磁轭一端从感应线圈N2中穿过并与样品紧密接触，另一端在感应线圈外与样品接触，与硅钢片形成回路。通过对绕在U形叠片硅钢片的初级线圈N1励磁，并测量固定在磁导计的底座中的次级线圈N2的感应电压。如图2所示，采用伏安法测量原理，在固定频率50Hz下采用双通道A/D对电流和电压同步实时、整周期采样，从定义出发计算比总损耗。

图1　便携式取向硅钢鉴别仪原理示意图

图2　伏安法原理图

(1)

(2)

式中，N1为初级绕组匝数；N2为次级绕组匝数；l为等效磁路长度；S为样品截面积。由式(1)和式(2)可推导出：

(3)

式中，Bm为磁感应强度峰值。由式(3)可以看出频率f、次级绕组匝数N2，样品截面积S为已知，Bm的大小直接与电压的平均值成正比。因此，对平均值电压的锁定即为对磁感应峰值的锁定，对次级感应电压即平均值电压的锁定是整个装置的技术关键。

最后通过采样电压和电流计算出比总损耗。

(4)

(5)

其中，Pt为比总损耗；ma为有效质量；PC为试样消耗的功率；P为有功功率。

2　系统硬件电路设计

测试系统结构如图3所示，主要由锂电池电源模块、32位单片机系统、信号源、功率放大器、双通道14位A/D和14位D/A等构成。其锂电池电源模块的容量为22000mAh，可保证仪器独立工作3小时左右。单片机系统包含了触摸屏显示、键盘管理和RS232接口等外围器件，具备参数输入、结果输出及与上位机通讯等功能。

图3　取向鉴别仪的硬件框图

32位的单片机是本测试仪的智能控制单元，由该单片机设置信号源的频率，并控制14位D/A经积分器调节输出电压，采用伏安法测量原理，在50Hz频率下对电流和电压同步实时、整周期采样，通过双通道A/D每周期每通道采样128个点，并将其输入单片机根据定义计算出铁损。完成样品参数的输入、采样频率的设置和磁感峰值的设定等功能。

其中，信号源单元的硬件原理如图4所示，单片机的高速输出器HSO端口向锁相环发送200Hz，240Hz的时钟频率。经分频器及锁相环，使该频率倍频28倍并输入到计数器中。计数器通过10位地址线连接ROM查询正弦波表，ROM中存有1个周期正弦波(1024个点)，再由数据线连接8位D/A，驱动D/A输出，经过滤波最终得到频率为50Hz，60Hz的正弦波。其中LK为反馈信号，用来调节D/A的基准电压，达到改变并锁定输出电压的目的。

图4　信号源硬件框图

图5　仪器校准结构图

3　装置的校准及测量结果

3.1　测量装置的校准

根据式(5)可知，比总损耗测量是在给定磁感应峰值B下测量的损耗，因此，其磁感应强度峰值和功率的大小直接影响比总损耗测量的准确性，对便携式取向硅钢鉴别仪装置校准的结构图如图5所示。

由下列公式推导可知，其磁感应强度峰值与平均值电压在数学上严格成正比，即锁定平均值电压即锁定磁感应峰值[6]，因此，采用2001平均值电压表采集次级感应线圈的电压，并对其进行校准。校准结果见表1，从结果可以看出，误差都在1%以内。

(6)

(7)

(8)

(9)

表1　磁感应峰值校准数据

为校准功率，将取向硅钢鉴别仪的初级电流和次级电压分别输入功率表的电流端和电压端，在频率为50Hz的前提下，通过2335功率表将功率直接读出并进行校准，此时读出的功率为采样电流与采样电压的乘积。校准结果见表2，从结果可以看出，误差都在1%以内。

表2　表2　功率校准数据

3.2　测量结果

通过上文所述的校准方法分别对磁感应峰值和功率等进行校准，使用校准后的便携式取向硅钢鉴别仪在频率为50Hz，磁感应强度峰值为1.5T的条件下，分别对不同类型的取向和无取向样品进行测量，其测量结果分别如表3和表4所示：

表3　无取向硅钢测量数据

表4　取向硅钢测量数据

由以上试验结果可以看出，使用本文研制的便携式取向硅钢鉴别仪测量无取向硅钢横纵方向比总损耗的比值均小于1.5；且取向硅钢的横纵方向的比总损耗比值均大于3。因此，可通过硅钢片的横纵性能差异，较准确的判断冷轧硅钢的取向性。

4　结论

本文研制了便携式取向硅钢鉴别仪，在不破坏硅钢片的前提下，能够快速利用横纵向比总损耗的比值来鉴别硅钢的晶粒取向性。该仪器具有便携式和准确度高的特点，使之能够满足我国出入境检验中日益增长的对冷轧硅钢取向性进行快速鉴别的要求。对该仪器进行校准后，使用本文研制的仪器对无取向硅钢和取向硅钢的横纵向比总损耗分别进行测试，取向硅钢的横纵方向的比总损耗比值均大于3，无取向硅钢横纵方向的比总损耗的比值均小于1.5，可准确判断冷轧硅钢的取向性。

[1]傅志强，等.冷轧硅钢片取向性的鉴别方法[J].磁性材料及器件，2011(4)

[2]莫明珍，等.冷轧硅钢片晶粒取向和无取向鉴定方法[J].检验检疫学刊，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 磁学计量常用名词术语及定义.北京：中国计量出版社，1989

[6]林安利，等.中国电气工程大典第三卷第二篇第六章(第一版).北京：中国电力出版社，2009