Jak mierzyć siłę magnesu: gaussomierz a test siły odrywania

Co oznacza “siła magnesu”?

Przed wyborem urządzenia do pomiaru parametrów magnetycznych należy określić, który wynik ma znaczenie dla danej aplikacji.

Wyższa wartość w jednej kategorii nie oznacza automatycznie lepszego wyniku w innej.

Na przykład wysoka wartość indukcji magnetycznej na powierzchni, wyrażona w gausach, nie gwarantuje określonej siły odrywania. Podobnie wysoki wynik siły odrywania uzyskany na stanowisku badawczym nie dowodzi, że magnes zapewni wymagane pole magnetyczne czujnika przez szczelinę powietrzną.

Którą metodę badania siły magnesu należy wybrać?

Punktem wyjścia powinno być pytanie inżynierskie, a nie przyrząd pomiarowy.

Jeżeli rzeczywistym wymaganiem są parametry działania w odległości roboczej, sam pomiar na powierzchni jest zwykle niewystarczający. Punkt pomiarowy powinien odpowiadać miejscu istotnemu dla działania produktu.

Jak wykonać pomiar magnesu gaussomierzem?

Gaussomierz wykorzystuje sondę Halla do pomiaru indukcji magnetycznej w jej obszarze pomiarowym. Wyniki są zwykle podawane w gaussach lub teslach.

Przelicznik NIST:

1 gauss = 0,0001 tesli, a 10 000 gaussów = 1 tesla.

Źródło: Przewodnik NIST po współczynnikach przeliczeniowych jednostek SI

Dlaczego położenie sondy ma znaczenie?

Pole magnetyczne wokół magnesu trwałego nie jest jednorodne. Wskazanie może się zmieniać, gdy sonda zostanie odsunięta od powierzchni, przesunięta w stronę krawędzi, pochylona lub obrócona w kierunku innej składowej pola.

Czujnik Halla znajduje się również wewnątrz korpusu sondy. Zewnętrzna powierzchnia sondy nie zawsze dokładnie odpowiada płaszczyźnie pomiarowej.

W dokumentacji gaussomierzy Lake Shore jako istotne zmienne pomiarowe wskazano ustawienie sondy, temperaturę, zerowanie, dokładność przyrządu i powtarzalność pozycjonowania. Wyjaśniono w niej również, że maksymalną odpowiedź uzyskuje się, gdy wektor pola jest prawidłowo zorientowany względem czujnika Halla.

Źródło: Instrukcja obsługi gaussomierza Lake Shore Model 475

Procedura kontrolowanego pomiaru gaussomierzem

Jest to ogólna procedura porównawcza. Pierwszeństwo mają procedura producenta przyrządu oraz plan kontroli dla danego projektu.

1. Określić składową pola i miejsce pomiaru.
2. Potwierdzić właściwy typ sondy i kierunek pomiaru.
3. Odczekać, aż przyrząd i sonda ustabilizują się zgodnie z wymaganiami producenta.
4. Wyzerować sondę określoną metodą.
5. Ustawić magnes w orientacji zapewniającej powtarzalność.
6. Zastosować uchwyt ustalający, jeśli niewielkie zmiany położenia mogą wpływać na wynik.
7. Ustawić sondę w położeniu wyznaczonym przez określone współrzędne oraz z zachowaniem określonej odległości.
8. Zapisać odczyt bez zmiany kąta ustawienia sondy.
9. Powtórzyć pomiar zgodnie z planem kontroli.
10. Raportować pojedyncze odczyty, zakresy, średnie lub wyniki oceny zgodności (zgodny/niezgodny), zgodnie z wymaganiami.

Nie należy przesuwać sondy do momentu uzyskania najwyższego wskazania, chyba że określonym celem jest zlokalizowanie maksymalnego pola magnetycznego.

Co należy rejestrować podczas badania gaussomierzem?

Zarejestrować co najmniej:

• Rysunek techniczny magnesu lub oznaczenie części.
• Kierunek magnesowania.
• Mierzony biegun.
• Typ sondy i kierunek pomiaru.
• Współrzędna pomiaru.
• Odległość sondy od części.
• Orientacja części i sondy.
• Zakres pomiarowy przyrządu i jednostka.
• Metoda zerowania.
• Temperatura badania, jeśli ma znaczenie.
• Liczba pomiarów.
• Poszczególne wartości i zakres akceptacji.

Bez tych informacji dwóch dostawców może podać różne wartości w gausach, nawet jeśli badają podobne magnesy.

Jak przeprowadzić badanie siły odrywania?

Badanie siły odrywania służy do pomiaru siły wymaganej do oddzielenia magnesu lub zespołu magnetycznego od powierzchni współpracującej.

Wynik jest miarodajny tylko wtedy, gdy określono warunki badania. Na wynik mogą wpływać: materiał i grubość stali, wykończenie powierzchni, powierzchnia styku, ustawienie oprzyrządowania, szczelina powietrzna, kierunek obciążenia oraz prędkość badania.

W ramach zadania roboczego ASTM WK70439 opracowywana jest proponowana metoda badania siły odrywania zespołów z magnesami trwałymi. Nadal jest to propozycja zadania roboczego, a nie opublikowana norma ASTM. ASTM wskazuje, że zastrzeżone metody badań mogą dawać znacznie różniące się wartości.

Źródło: Pomiar siły odrywania magnesu według ASTM

Procedura kontrolowanego porównania siły odrywania

Poniższa procedura umożliwia powtarzalne porównanie wyników. Nie jest to uniwersalna procedura znormalizowana.

1. Określ, czy badanie dotyczy nieosłoniętego magnesu, czy kompletnego zespołu.
2. Określ materiał, grubość, wymiary i stan powierzchni płyty współpracującej.
3. Oczyść i sprawdź powierzchnie styku.
4. Kontroluj każdą powłokę, przekładkę, warstwę kleju lub celowo pozostawioną szczelinę powietrzną.
5. Ustaw magnes i siłomierz zgodnie z określonym kierunkiem odrywania.
6. Przyłożyć obciążenie za pomocą kontrolowanego przyrządu mocującego.
7. Oddziel magnes, wykonując uzgodniony ruch podczas badania.
8. Zarejestruj maksymalną siłę zgodnie z uzgodnioną metodą raportowania.
9. W razie potrzeby powtórz badanie.
10. Wraz z wynikiem podaj informacje o przyrządzie mocującym i warunkach badania.

Wynik podany wyłącznie jako “siła odrywania 50 kg” jest niepełny. Należy określić, czy wartość wyrażono w kilogramach-siły, w jaki sposób badano zespół oraz jakiej powierzchni współpracującej użyto.

Siłę najlepiej podawać w niutonach. Jeżeli stosuje się również kilogram-siłę, jednostkę należy zapisać jednoznacznie, zamiast skracać ją do kilogramów, które są jednostką masy.

Czy siła odrywania jest tym samym co siła ścinająca?

Nie. W typowej próbie odrywania magnes jest oddzielany prostopadle do powierzchni współpracującej. Obciążenie ścinające lub powodujące przesuwanie działa równolegle do tej powierzchni.

Na opór przy przesuwaniu wpływają tarcie, struktura powierzchni, powłoki gumowe, ograniczniki mechaniczne, drgania i kierunek obciążenia. Wyniku pomiaru siły odrywania w kierunku prostopadłym nie należy przyjmować jako dopuszczalnego obciążenia ścinającego bez oceny uwzględniającej konkretną aplikację.

Czy znamionowa siła odrywania jest tym samym co bezpieczne obciążenie robocze?

Nie. Wyniku stanowiskowego pomiaru siły odrywania nie należy automatycznie uznawać za bezpieczne obciążenie robocze produktu końcowego.

W rzeczywistych zastosowaniach mogą występować:

• Szczeliny powietrzne.
• Cienkie materiały współpracujące lub materiały o niskiej przenikalności magnetycznej.
• Powierzchnie zakrzywione lub nierówne.
• Obciążenie ścinające.
• Udary lub drgania.
• Zmiany temperatury.
• Nieprawidłowe ustawienie.
• Uszkodzenie połączenia klejowego lub obudowy.
• Wykruszenie lub pęknięcie magnesu.

Projektant odpowiedzialny za produkt powinien określić wymagany zapas konstrukcyjny dla rzeczywistego zastosowania. W tym artykule nie podano uniwersalnego współczynnika bezpieczeństwa.

Bezpieczeństwo podczas badania siły odrywania

Silne magnesy mogą gwałtownie się przemieścić, przytrzasnąć palce lub wykruszyć się przy uderzeniu w uchwyt albo płytę współpracującą.

Należy korzystać ze stanowiska badawczego wyposażonego w osłony, trzymać ręce poza torem przyciągania oraz przestrzegać oceny ryzyka na stanowisku pracy i wymagań dotyczących środków ochrony indywidualnej. Niniejszy artykuł nie stanowi kompletnej procedury bezpieczeństwa laboratoryjnego.

Należy również zapoznać się z kartą charakterystyki NdFeB właściwą dla danego materiału magnetycznego i warunków postępowania z magnesem.

Czy gaussomierz pozwala potwierdzić klasę magnesu?

Sam pomiar indukcji magnetycznej na powierzchni w gausach nie pozwala potwierdzić, że gotowy magnes ma klasę N42, N52 lub inną.

Klasa odnosi się do kontrolowanych właściwości materiału wyznaczanych z krzywej magnesowania lub rozmagnesowania. Do istotnych właściwości mogą należeć:

• Br: Indukcja remanencji po usunięciu pola magnesującego.
• HcB: Natężenie pola koercji związane z indukcją magnetyczną.
• HcJ: Natężenie pola koercji wewnętrznej związane z polaryzacją magnetyczną.
• BHmax: Maksymalny iloczyn energii wyznaczany z krzywej rozmagnesowania.

IEC 60404-5:2015 określa metody pomiaru indukcji magnetycznej, polaryzacji magnetycznej, natężenia pola magnetycznego, krzywych rozmagnesowania i linii powrotu materiałów na magnesy trwałe.

Źródło: IEC 60404-5:2015

ASTM A977/A977M dotyczy pomiaru materiałów na magnesy trwałe o wysokiej koercji z wykorzystaniem histerezografów. Norma ma zastosowanie do pomiaru właściwości materiału, a nie do prostego badania pola na powierzchni gotowego elementu.

Źródło: Normy komitetu ASTM A06.01

Na odczyt w gausach dla gotowego magnesu wpływają również:

• Wymiary magnesu.
• Kształt oraz stosunek długości do średnicy.
• Stan namagnesowania.
• Kierunek magnesowania.
• Położenie sondy.
• Efekty brzegowe.
• Sąsiadująca stal lub elementy magnetyczne.
• Szczelina powietrzna.

Badanie indukcji magnetycznej na powierzchni może być przydatne do porównywania gotowych części w tych samych kontrolowanych warunkach. Nie powinno jednak zastępować odpowiedniej dokumentacji dotyczącej klasy materiału ani kontrolowanych badań właściwości materiału.

Osoby analizujące konkretne wymagania dotyczące magnesów wysokiej klasy mogą również zapoznać się z potwierdzoną przez Osenc stroną magnesu neodymowego N52, pamiętając, że ostateczny wybór klasy nadal zależy od zastosowania.

Czy można bezpośrednio przeliczyć wartość w gausach na siłę odrywania?

Nie istnieje uniwersalny wzór umożliwiający bezpośrednie przeliczenie pojedynczego odczytu w gausach na siłę odrywania.

Te dwie wielkości można powiązać w ramach w pełni zdefiniowanego układu magnetycznego, jednak wiarygodne przewidywanie siły wymaga również informacji o:

• Wymiarach i kształcie magnesu.
• Klasie magnesu i stanie namagnesowania.
• Powierzchni bieguna i układzie biegunów.
• Materiale współpracującym.
• Grubości stali.
• Roboczej szczelinie powietrznej.
• Powłoki lub elementy dystansowe.
• Geometria styku.
• Kierunek odrywania.
• Pobliskie elementy magnetyczne.

Na przykład dwa magnesy mogą wykazywać zbliżone wartości pola w jednym punkcie pomiarowym, ale różne wartości siły odrywania ze względu na różnice w powierzchni biegunów, grubości lub obwodach magnetycznych.

Możliwa jest również sytuacja odwrotna. Dwa zespoły mogą uzyskiwać zbliżoną siłę odrywania przy bezpośrednim styku, ale bardzo różne poziomy pola przy czujniku umieszczonym w odległości kilku milimetrów.

Pomiar gaussomierzem należy stosować, gdy istotne jest pole w określonym punkcie. Pomiar siły odrywania należy stosować, gdy istotna jest kontrolowana siła rozdzielania.

Czy badać sam magnes, czy gotowy zespół?

Należy badać obiekt, który najlepiej odpowiada wymaganiu technicznemu.

Pobliskie elementy stalowe mogą przekierować strumień magnetyczny. Obudowa może zmienić szczelinę roboczą. Grubość warstwy kleju, powłoka i tolerancja montażu mogą również zmienić odległość między magnesem a elementem współpracującym.

W przypadku czujnika lub enkodera zmierz pole w miejscu zainstalowania czujnika. W przypadku uchwytu magnetycznego przeprowadź test z użyciem docelowego materiału współpracującego i w docelowym stanie powierzchni. W przypadku sprzęgła lub wirnika, w miarę możliwości, zastosuj rzeczywistą szczelinę roboczą i warunki ustawienia.

Symulacja magnetyczna może pomóc przewidzieć pole, siłę, moment obrotowy lub zachowanie układu biegunów przed wykonaniem próbek. Symulacja jest jednak prognozą projektową, a nie wynikiem pomiaru.

Praktyczna ścieżka rozwoju obejmuje:

1. Zdefiniuj warunki pracy.
2. Zamodeluj lub oszacuj parametry działania, jeśli będzie to pomocne.
3. Wykonaj reprezentatywną próbkę.
4. Zweryfikuj magnes lub zespół w kontrolowanych warunkach.

OSENC może wspierać uzgodnienia dotyczące niestandardowych magnesów i zespołów magnetycznych na podstawie rysunków, próbek, szkiców oraz wymagań aplikacji. Wsparcie projektowe może obejmować ocenę pola magnetycznego, symulacje, przegląd zespołu i badania, zależnie od wymagań projektu oraz wyników analizy technologicznej.

Jak porównywać raporty z badań magnesów od różnych dostawców?

Nie należy porównywać głównych wartości liczbowych, dopóki nie zostanie potwierdzone, że obaj dostawcy zastosowali równoważne warunki badań.

Raport powinien umożliwiać innej wykwalifikowanej osobie zrozumienie, co zmierzono, oraz — w miarę możliwości — odtworzenie porównania.

Strona firmy dotycząca zarządzania jakością może przedstawiać ogólne podejście dostawcy do kontroli, ale nie zastępuje właściwej dla projektu metody badań ani protokołu odbioru. Zobacz informacje firmy Osenc dotyczące zarządzania jakością w zakresie obecnie potwierdzonego ogólnego zakresu.

Jakie informacje uwzględnić w zapytaniu ofertowym dotyczącym parametrów magnetycznych magnesu?

Dobre zapytanie ofertowe powinno najpierw opisywać wymaganą funkcję, a dopiero potem określać wartość pomiaru.

Informacje o magnesie lub zespole

Należy przedstawić:

• Rysunek i numer rewizji.
• Wymiary i tolerancje.
• Materiał magnesu lub proponowaną klasę materiału.
• Kierunek magnesowania i układ biegunów.
• Powłoka.
• Obudowa, elementy stalowe, klej i inne elementy zespołu.
• Zakładana temperatura pracy.
• Warunki środowiskowe, jeśli ma to zastosowanie.

Wymagania aplikacji

Określ, czy magnes musi zapewniać:

• Siłę trzymania.
• Pole magnetyczne w miejscu czujnika.
• Odległość wykrywania.
• Moment obrotowy.
• Parametr wyjściowy sprzężenia.
• Siłę pozycjonującą.
• Skuteczność separacji.
• Powtarzalność między partiami.

Warunki badania

Zdefiniuj:

• Magnes niepowlekany lub kompletny zespół.
• Miejsce pomiaru.
• Szczelinę roboczą.
• Kierunek sondy.
• Materiał współpracujący i jego grubość.
• Kierunek odrywania lub obciążenia.
• Wymagania dotyczące oprzyrządowania.
• Temperaturę badania.
• Wymaganą liczbę pomiarów.

Kryteria akceptacji

Określ:

• Wartość docelową.
• Wartość minimalną lub zakres dopuszczalny.
• Jednostkę.
• Wymagania dotyczące próbkowania.
• Czy wymagane są indywidualne odczyty.
• Czy wymaganie dotyczy próbek, części produkcyjnych czy obu tych kategorii.

Dobrze zdefiniowane zapytanie ofertowe zmniejsza ryzyko otrzymania technicznie poprawnego raportu z badań, który nie odpowiada na rzeczywiste pytanie dotyczące aplikacji.

Najczęściej zadawane pytania

Czy miernik indukcji magnetycznej jest tym samym co tester siły magnesu?

Gaussometr jest jednym z rodzajów testerów siły magnesu, ale określenie “tester siły magnesu” nie jest precyzyjne.

Może oznaczać gaussometr, teslametr, tester siły odrywania, fluksomierz, histerezograf, przyrząd do badania momentu obrotowego lub system testowy przeznaczony do konkretnej aplikacji. Należy potwierdzić, którą wielkość magnetyczną mierzy dane urządzenie.

Czy smartfon może zmierzyć siłę magnesu?

Smartfon może wskazywać zmiany otaczającego pola magnetycznego, jeśli jest wyposażony w magnetometr. Dokumentacja Androida informuje, że kompatybilne czujniki rejestrują składowe pola magnetycznego wzdłuż osi X, Y i Z w mikrot eslach.

Jednak zakres pomiarowy czujnika, kalibracja, położenie, zakłócenia generowane przez urządzenie i powtarzalność mogą być nieodpowiednie do badań odbiorczych magnesów.

Źródło: Dokumentacja Android SensorEvent

Telefonu używaj wyłącznie do orientacyjnego wskazania. Nie traktuj go jako skalibrowanego gaussometru ani narzędzia do kontroli odbiorczej u dostawcy.

Jak często należy sprawdzać siłę magnesu?

Nie ma uniwersalnej częstotliwości badań odpowiedniej dla każdego projektu magnesu.

Plan kontroli powinien uwzględniać:

• Ryzyko aplikacji.
• Stabilność produkcji.
• Wymagania klienta.
• Liczebność próby.
• Zmiany procesu.
• Zmiany dostawcy.
• Uzgodnioną metodę odbioru.

Projekty krytyczne mogą wymagać innych środków kontroli niż niekrytyczne zastosowania komercyjne.