СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R33/24 G01V3/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к способам измерения характеристик магнитного поля и устройствам для его осуществления в виде комплексного прибора, представляющего собой магнитостатический магнитометр. Преимущественная область применения изобретения -изучение характеристик и динамики геомагнитного поля.

Известен способ измерения характеристик магнитного поля, при котором определяют величину горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности магнитного поля и при этом используют совокупное противоположно направленное действие измеряемого магнитного поля и сил тяжести на стержневой постоянный магнит, которому обеспечивают при указанных воздействиях возможность поворота вокруг оси и измеряют угол этого поворота [1]
Этот способ измерения реализован в устройстве для измерения характеристик магнитного поля, содержащем по меньшей мере один стержневой постоянный магнит, установленный с возможностью поворота на своей оси под действием измеряемого внешнего магнитного поля, и устройство для определения величины угла поворота магнита [1]
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является способ измерения характеристик магнитного поля, при котором используют его взаимодействие с магнитными полями, создаваемыми двумя стержневыми постоянными магнитами, которые устанавливают с возможностьюих поворота в двух перпендикулярно расположенных плоскостях, и путем поворота первого магнита уравновешивают с использованием момента кручения несущей упругой растяжки положение второго магнита в измеряемом магнитном поле, при этом вертикальную составляющую напряженности магнитного поля определяют с использованием измерительной шкалы по углу поворота первого магнита [2]
Указанный способ измерений реализуется в кварцевом магнитостатическом магнитометре, содержащем по меньшей мере два стержневых постоянных магнита, один из которых закреплен на несущей измерительную шкалу вертикальной панели, которая установлена на горизонтальной оси с возможностью управляемого поворота вместе с магнитом, а другой магнит размещен на горизонтальной упругой кварцевой растяжке с возможностью свободного поворота под воздействием внешних магнитных полей, при этом кварцевая растяжка второго магнита и ось панели размещены перпендикулярно друг другу (2]
Этот способ измерения характеристик магнитного поля и устройство для его осуществления имеют общие недостатки, заключающиеся в том, что они не обеспечивают возможности определения истинного направления вектора силовых линий измеряемого магнитного поля в пространстве и проведения измерений в направлении этого вектора, поскольку они позволяют определять только величину горизонтальных или вертикальных составляющих напряженности магнитного поля, что не позволяет получить полные данные о характеристиках и динамике поля и снижает точность проводимых измерений.

Изобретение позволяет определять истинное направление вектора силовых линий магнитного поля в пространстве и измерять напряженность магнитного поля в направлении вектора его силовых линий с одновременным повышением при этом точности измерений.

Решение поставленной задачи и получение указанного технического результата по способу измерения характеристик магнитного поля обеспечивается тем, что определяют вертикальную составляющую напряженности магнитного поля при взаимодействии измеряемого магнитного поля со стержневым постоянным магнитом, дополнительно определяют с помощью другого стержневого постоянного магнита по его повороту на горизонтальной оси вертикальную составляющую направления вектора измеряемого магнитного поля и с помощью третьего стержневого постоянного магнита по его повороту на вертикальной оси определяют горизонтальную составляющую направления вектора измеряемого магнитного поля и путем сопоставления этих вертикальной и горизонтальной составляющих по взаимному положению второго и третьего магнитов определяют истинное направление в пространстве вектора измеряемого магнитного поля, после чего с помощью первого стержневого постоянного магнита определяют напряженность измеряемого магнитного поля вдоль истинного направления в пространстве вектора этого поля по величине отклонения положения первого стержневого постоянного магнита от истинного направления в пространстве вектора измеряемого магнитного поля под действием момента силы тяжести.

Способ измерения характеристик магнитного поля реализуется в устройстве, содержащем два стержневых постоянных магнита, установленных на горизонтальных осях с возможностью поворота, один из которых размещен на вертикальной панели, подвижную вертикальную шкалу, установленную с возможностью управляемого поворота соосно с одним из указанных магнитов, третий стержневой постоянный магнит, вторую вертикальную панель, три основания, неподвижные горизонтальные шкалы на каждом из оснований, подвижную вертикальную шкалу, установленную у одной из панелей, шкалы на каждой из панелей, третий стержневой постоянный магнит и панели установлены на вертикальных осях с возможностью поворота относительно оснований, нулевые числа отсчета углов поворота на горизонтальных шкалах оснований постоянно направлены вдоль географического меридиана в пункте измерений, а нулевые числа отсчета углов поворота шкал панелей совмещены с горизонталями, проходящими через горизонтальные оси магнитов, второй и третий стержневые постоянные магниты размещены на своих осях равновесно с возможностью свободного поворота под воздействием измеряемого магнитного поля, первый стержневой постоянный магнит размещен на своей оси неравновесно с возможностью свободного поворота под совокупным воздействием измеряемого магнитного поля и момента силы тяжести, при этом конец первого магнита совмещен с подвижной вертикальной шкалой, которая имеет показатели напряженности магнитного поля.

На фиг. 1 и 2 изображен третий стержневой постоянный магнит с основанием, вид сбоку и сверху; на фиг. 3, 4 и 5, 6 таким же образом показаны соответственно второй и первый стержневые постоянные магниты с вертикальными панелями, основаниями и шкалами; на фиг. 7, 8 и 9 в том же порядке даны изображения третьего, второго и первого стержневых постоянных магнитов в рабочем положении, иллюстрирующие способ измерения характеристик магнитного поля.

Приведенное ниже описание конкретных условий осуществления способа измерений и устройства дано на примере измерений геомагнитного поля.

Устройство для осуществления способа измерений характеристик магнитного поля выполнено в виде магнитостатического магнитометра (фиг. 1-6), содержащего три обособленных друг от друга и не взаимодействующих своими магнитными полями стержневых постоянных магнита 1, 2 и 3. Стержневой постоянный магнит 1, далее называемый третьим стержневым постоянным магнитом (фиг. 1 и 2), равновесно размещен с возможностью свободного поворота на вертикальной оси 4, закрепленной на неподвижном основании 5, на котором расположена совмещенная с концом стержня постоянного магнита 1 неподвижная горизонтальная шкала 6 в форме дуги окружности, градуированная в градусах плоского угла, с расположением нулевого числа отсчета в средней части шкалы. Основание 5 установлено горизонтально таким образом, что прямая линия А-А, проходящая через вертикальную ось 4 магнита и нулевое число отсчета шкалы, совмещена с направлением географического меридиана в данной точке измерений. Совмещение указанной прямой линии А-А с направлением меридиана производится путем известных геодезических измерений и определений направления меридиана астрономическим способом или гироскопическим методом с применением известного гиротеодолита и др.

Второй 2 (фиг. 3 и 4) и первый 3 (фиг. 5 и 6) стержневые постоянные магниты размещены с возможностью свободного поворота на своих горизонтальных осях 7, которые закреплены соответственно на относящихся к этим магнитам вертикальных панелях 8, каждая из которых при помощи вертикальной оси 9 установлена с возможностью управляемого поворота на своем основании 5. Каждая из вертикальных панелей имеет совмещенную с концом стержня соответствующего постоянного магнита 2 или 3 шкалу 10 в форме дуги окружности с центром на оси 7 для измерения углов поворота этого магнита с расположением нулевого числа отсчета в средней части шкалы. При этом прямая линия, проходящая через горизонтальную ось 7 и нулевое число отсчета шкалы, совмещена с горизонталью в данной точке измерений. К каждой из вертикальных панелей 8 прикреплена стрелка 11, которая совмещена со своей неподвижной горизонтальной шкалой 12, размещенной на основании 5 каждого из этих магнитов и предназначенной для измерения углов поворота соответствующей панели на вертикальной оси 9. Эти горизонтальные шкалы 12 имеют форму дуг окружностей с центром на вертикальной оси 9 и с расположением нулевого числа отсчета в средней части шкалы. При этом прямая линия А-А, проходящая через вертикальную ось 9 каждой панели и нулевое число отсчета шкалы 12, направлена вдоль географического меридиана в данной точке измерений, что обеспечивается использованием указанных выше известных способов геодезических измерений.

У вертикальной панели 8 первого стержневого постоянного магнита 3 (фиг. 5 и 6) вдоль шкалы 19 вертикальной панели с внешней ее стороны размещена на горизонтальной оси 7 с возможностью управляемого перемещения по дуге окружности совмещенная с концом магнита подвижная вертикальная шкала 13, градуированная в единицах напряженности магнитного поля. Наименьшее число отсчета подвижной вертикальной шкалы 13 находится в нижней ее части. Ось 7 подвижной вертикальной шкалы 13 является продолжением горизонтальной оси 7 первого стержневого постоянного магнита 3 по другую сторону вертикальной панели 8.

Второй стержневой постоянный магнит 2 размещен на своей горизонтальной оси 7 равновесно. Первый стержневой постоянный магнит 3 неуравновешен относительно своей горизонтальной оси 7 с расположением более тяжелой части в направлении шкалы 10 панели и подвижной вертикальной шкалы 13. Для показа этого признака на фиг. 5 и 6 на плече стержня первого постоянного магнита 3, обращенном в сторону шкал 10, 13, изображен груз 14.

Все три стержневых постоянных магнита 1, 2 и 3 размещены на удалении друг от друга, позволяющем выполнить условие, когда взаимное влияние магнитных полей этих магнитов не превышает допустимой величины по заданной точности измерений и при указанной выше единой пространственной направленности отметок и чисел отсчета у всех трех неподвижных горизонтальных шкал 6 и 12 и отдельно соответственно у двух шкал 10 на вертикальных панелях первого и второго магнитов.

Способ измерения характеристик магнитного поля, как и работа указанного выше магнитостатического магнитометра, заключается в следующем (фиг. 7 9).

Под воздействием внешнего измеряемого магнитного поля (в данном случае геомагнитного поля) стержень третьего постоянного магнита 1 повернется на своей оси 4 в положение, совпадающее с проекцией вектора силовых линий поля на горизонтальную плоскость, а следовательно, с направлением вертикальной плоскости, в которой находится этот вектор. При этом для повышения точности измерений учитывают направление продольной линии каждого из стержней постоянных магнитов 1, 2 и 3, проходящей через его полюсы и соответствующую ось 4 или 7.

Угол поворота третьего стержневого постоянного магнита 1 относительно направления географического меридиана А-А определяют по неподвижной горизонтальной шкале 6. Панели 8 второго 2 и первого 3 стержневых постоянных магнитов вместе с этими магнитами поворачивают на вертикальных осях 9 панелей на тот же угол и определяют величину этого поворота по положению стрелки 11 на неподвижной горизонтальной шкале 12, пространственная направленность отметок и чисел отсчета у которой та же, что и у горизонтальной шкалы 6 третьего стержневого постоянного магнита 1. В результате этих действий все три стержневых постоянных магнита 1, 2 и 3 и панели 8 второго 2 и первого 3 стержневых постоянных магнитов располагают таким образом, что вертикальные плоскости, совмещенные со стержнями всех магнитов и с панелями, будут параллельны. При этом продольная линия стержня второго постоянного магнита 2 под воздействием на магнит измеряемого магнитного поля совпадет с истинным направлением вектора силовых линий магнитного поля в пространстве в данной точке измерений, поскольку положение стержня магнита будет определено соответствующими поворотами относительно вертикальных 4, 9 и горизонтальной 7 осей, чем обеспечивают выведение этого стержня в указанное положение. Показатели углов поворота вертикальной панели 8 на горизонтальной шкале 12 и второго стержневого постоянного магнита 2 на вертикально ориентированной шкале 10 покажут в градусах плоского угла отклонение вектора силовых линий магнитного поля соответственно от направления географического меридиана А-А и от горизонтали в точке измерений.

Напряженность магнитного поля вдоль истинного направления вектора его силовых линий в пространстве определяют при указанном выше положении стержня первого постоянного магнита 3 и его вертикальной панели 8 в вертикальной плоскости, параллельной вертикальной плоскости, в которой располагается стержень третьего постоянного магнита 1 при его свободном повороте на вертикальной оси 4 в горизонтальной плоскости под воздействием измеряемого магнитного поля. Или, говоря иначе, это измерение проводят при условии, когда продольная линия третьего постоянного магнита 1 и стрелка 11 панели 8 первого стержневого постоянного магнита 3 совмещены с одинаковыми отметками и числами отсчете на относящихся к этим магнитам соответствующих неподвижных горизонтальных шкалах 6 и 12. При отсутствии груза 14 на плече стержня первого постоянного магнита 3 этот магнит расположился бы так же, как и второй стержневой постоянный магнит 2, по указанным выше причинам. Однако груз 14 создает момент силы тяжести, который отклоняет плечо стержня магнита 3, несущее груз 14, вниз (фиг. 7). Величина угла α этого поворота первого стержневого постоянного магнита 3 от истинного направления в пространстве вектора силовых линий магнитного поля будет находиться в обратной зависимости от величины напряженности измеряемого магнитного поля, т.е. чем больше напряженность магнитного поля, тем большее противодействие оно будет оказывать повороту первого стержневого постоянного магнита 3 под воздействием момента силы тяжести, создаваемого грузом 14, тем на меньший угол повернется стержень этого магнита от направления вектора силовых линий магнитного поля. При этом величину напряженности магнитного поля определяют по показателям подвижной вертикальной шкалы 13, которую путем поворота на оси 7 устанавливают таким образом, чтобы верхний край этой шкалы 13 совпадал с тем же числом отсчета на шкале 10 вертикальной панели 8 первого стержневого постоянного магнита 3, с которым совмещена продольная линия стержня второго постоянного магнита 2 на шкале 10 своей вертикальной панели 8, т.е. с истинным направлением вектора силовых линий магнитного поля в пространстве. В результате этих действий продольная линия стержня первого постоянного магнита 3, находящегося под совокупным воздействием измеряемого магнитного поля и момента силы тяжести груза 14, будет совмещена с отметкой на подвижной вертикальной шкале 13, показывающей напряженность магнитного поля в направлении вектора его силовых линий в пространстве.

Величина момента силы, создаваемого грузом 14, зависит от его плеча относительно оси 7, которое имеет переменную длину в обратной зависимости от угла поворота стержня первого постоянного магнита 3 от горизонтальной линии, проходящей через ось этого магнита. Говоря иначе, величина этого момента уменьшается по мере поворота стержня первого постоянного магнита 3 от горизонтали, проходящей через ось 7. В связи с этим показатель на подвижной шкале 13, характеризующей напряженность магнитного поля, корректируют с учетом величины угла b поворота продольной линии стержня первого постоянного магнита 3 от указанной горизонтали, например, путем деления числовой величины (числа отсчета) этого показателя на косинус угла b. При этом величину угла β поворота продольной линии стержня первого постоянного магнита 3 от указанной горизонтали определяют по шкале 10 вертикальной панели 8.

Предлагаемый способ измерения характеристик магнитного поля, обеспечивающий получение данных об истинном направлении вектора магнитного поля в пространстве и напряженности поля вдоль этого вектора, и устройство для осуществления этого способа измерений могут найти применение при проведении геологоразведочных работ, уточнении распространения радиоволн, изучении влияния параметров геомагнитного поля на живую природу, климатические условия и погоду, выявлении возможных магнитодинамических предвестников землетрясений и извержений вулканов и др.

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: способ измерений осуществляется при помощи устройства, содержащего три обособленных постоянных стержневых магнита, первый из которых равновесно размещен на вертикальной оси, второй и третий магниты - на горизонтальных осях, при этом третий магнит размещен на оси неравновесно. Панели, на которых перпендикулярно установлены оси второго и третьего магнитов, располагают параллельно вертикальной плоскости, с которой совмещается продольная линия стержня первого магнита. При этом направление стержня второго магнита совпадает с направлением вектора силовых линий, а отклонение неравновесного третьего магнита от направления стержня второго магнита характеризует напряженность МП вдоль вектора его силовых линий. Положение магнитов на своих осях фиксируют при помощи вертикально и горизонтально-расположенных шкал, а напряженность МП определяют по шкале, установленной с возможностью управляемого перемещения вдоль шкалы третьего магнита. 2 с.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ измерения характеристик магнитного поля, заключающийся в измерении вертикальной составляющей напряженности магнитного поля при взаимодействии измеряемого магнитного поля со стержневым постоянным магнитом, отличающийся тем, что дополнительно определяют с помощью другого стержневого постоянного магнита по его повороту на горизонтальной оси вертикальную составляющую направления вектора измеряемого магнитного поля и с помощью третьего стержневого постоянного магнита по его повороту на вертикальной оси определяют горизонтальную составляющую направления вектора измеряемого магнитного поля и путем сопоставления этих вертикальной и горизонтальной составляющих по взаимному положению второго и третьего магнитов определяют истинное направление в пространстве вектора измеряемого магнитного поля, после чего с помощью первого стержневого постоянного магнита определяют напряженность измеряемого магнитного поля вдоль истинного направления в пространстве вектора этого поля по величине отклонения положения первого стержневого постоянного магнита от истинного направления в пространстве вектора измеряемого магнитного поля под действием момента силы тяжести. 2. Устройство для измерения характеристик магнитного поля, содержащее два стержневых постоянных магнита, установленных на горизонтальных осях с возможностью поворота, один из которых размещен на вертикальной панели, и подвижную вертикальную шкалу, установленную с возможностью управляемого поворота соосно с одним из указанных магнитов, отличающееся тем, что оно содержит третий стержневой постоянный магнит, вертикальную панель, три основания, неподвижные горизонтальные шкалы на каждом из оснований, подвижную вертикальную шкалу, установленную у одной из панелей, шкалы на каждой из панелей, третий стержневой постоянный магнит и панели установлены на вертикальных осях с возможностью поворота относительно оснований, нулевые числа отсчета углов поворота на горизонтальных шкалах оснований постоянно направлены вдоль географического меридиана в пункте измерений, а нулевые числа отсчета углов поворота шкал панелей совмещены с горизонталями, проходящими через горизонтальные оси магнитов, второй и третий стержневые постоянные магниты размещены на своих осях равновесно с возможностью свободного поворота под воздействием измеряемого магнитного поля, первый стержневой постоянный магнит размещен на своей оси неравновесно с возможностью свободного поворота под совокупным воздействием измеряемого магнитного поля и момента силы тяжести, при этом конец первого магнита совмещен с подвижной вертикальной шкалой, которая имеет показатели напряженности магнитного поля.