МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТЕСЛАМЕТР Российский патент 2004 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к средствам измерения параметров магнитного поля, конкретно к магнитомеханическим тесламетрам (ММТ). Термин тесламетр применяется здесь и далее вместо широко распространенного термина магнитометр, являющегося внесистемным (относительно системы СИ) термином. Область применения этого класса тесламетров обусловлена их свойствами. Определяющим при этом является, с одной стороны, высокая чувствительность, точнее низкий порог чувствительности и другие положительные качества, а с другой - принципиальная необходимость использования неподвижности основания, под которым понимается предварительная установка тесламетра для производства измерений в плоскость магнитного меридиана магнитного поля Земли (МПЗ) или другого измеряемого источника поля и обеспечение антисейсмичности основания, а также большая инерционность магнитомеханических преобразователей, ограничивающих частотный диапазон в пределах 0÷ 10 герц и узкий динамический диапазон.

Поэтому основной областью их применения стали:

- обеспечение службы непрерывных измерений вариаций магнитного поля Земли в условиях стационарных геомагнитных обсерваторий;

- обеспечение наземных (в последнее время и морских) магнитотеллурических методов исследований глубинного строения Земли;

- измерение магнитных свойств слабомагнитных веществ, материалов и горных пород;

- проведение магнитовариационных дифференциальных измерений для разделения магнитных аномалий на рудные и безрудные;

- проведение стационарных магнитовариационных измерений в интересах прогноза землетрясений;

- обеспечение метрологических исследований, в частности для стабилизации внешнего магнитного поля в мерах магнитной индукции,

- индикация сверхслабых полей при аттестации мер магнитной индукции и др.

Как известно, магнитомеханические измерительные преобразователи магнитомеханических тесламетров аналогично преобразователям других физических величин, основанных на использовании результатов взаимодействия их чувствительных элементов с измеряемым полем (магнитным, гравитационным и др.) в виде механического момента, обладают свойством зависимости чувствительности преобразователей от взаимного положения их осей чувствительности и вектора измеряемого поля, т.е. являются векторными измерителями.

Это свойство обусловлено тем, что чувствительность S магнитомеханических преобразователей зависит от взаимного положения (угла α ) вектора магнитного момента L чувствительного элемента преобразователя и вектора индукции В измеряемого поля, выражаемая формулой S=(L/с)·sinα , где с - жесткость торсиона, за счет деформации которого при повороте на угол ϕ создается момент сопротивления М_с=с·ϕ , уравновешивающий момент М, создаваемый взаимодействием векторов L и В, равный

M=L·В·sinα .

В связи с этим для измерения всех элементов магнитного поля Земли (МПЗ) возникает необходимость предварительной ориентации измерительного преобразователя в пространстве относительно вектора измеряемого поля по соответствующей методике. В этом требовании нет ничего не обоснованного с точки зрения использования векторного измерителя. Другое дело, когда необходимо по измеренным значениям составляющих вычислить значение полного вектора источника измеряемого поля не ориентированным известным образом трехкомпонентным магнитомеханическим тесламетром. В этом случае геометрическая сумма составляющих, измеренных таким тесламетром, не равна модулю вектора индукции измеряемого поля, в отличие, например, от феррозондовых тесламетров, позволяющих эту операцию осуществить.

Целью предлагаемого изобретения является создание тесламетра, лишенного этого недостатка. Практика магнитометрических измерений использует целый ряд магнитомеханических тесламетров различных конструкций и реализованных в них технических решений [1, 2, 3], но наиболее близким к предлагаемому изобретению и служащим ему прототипом является тесламетр, разработанный в результате выполнения научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы “Разработка и создание высокочувствительных термостабилизированных магнитных вариометров” (Новосибирск. 1993 г.). Предлагаемый магнитомеханический тесламетр содержит, в отличие от прототипа, систему не из трех, а из четырех идентичных однокомпонентных магнитомеханических преобразователей, жестко закрепленных на одном плоском основании, оси чувствительности двух, теперь из четырех, взаимно перпендикулярны, а оси поворота параллельны, и еще двух, оси чувствительности которых параллельны, а оси поворота перпендикулярны.

На фиг. 1 представлен общий схематический (показаны только первичные преобразователи без измерительных электронных каналов) вид такого тесламетра, на котором: 1 - общее основание тесламетра, 2, 3, 4, 5 - соответственно блоки D-, Z-, H-, Z - преобразователей, стрелки на корпусе которых указывают направление их осей чувствительности. В каждом из тесламетров первичный магнитомеханический преобразователь представляет в своей основе магнитик, подвешенный на упругой нити, реальный механический вращающий момент, действующий на чувствительный элемент (магнитик) которого, равен M=L× B или в скалярной форме М=L·В·sinα уравновешивается противодействующим моментом упругой нити подвеса магнитика при ее закручивании на угол ϕ и реакциями опор. Угол ϕ , измеряемый тем или иным методом в электронном измерительном канале, служит мерой измеренной составляющей вектора индукции В. Поскольку противодействующий момент равен М_пр=с·ϕ , то ϕ =[(L·sinα )/с]·В или ϕ =S_M·В, где с - коэффициент кручения, а чувствительность, равная для линейной системы коэффициенту преобразования, будет определяться отношением выходной величины к входной. Таким образом, поскольку входной величиной является индукция измеряемого поля В, то выражение в квадратных скобках [(L·sinα )/с] и есть чувствительность (S_M) устройства к магнитной индукции измеряемого поля, то есть S_M=(L·sinα )/с. Как следует из выражения для чувствительности, она зависит от угла α между вектором магнитного момента L магнитика и направлением вектора В и имеет максимальное значение при α =90° .

Итак, в магнитном поле с индукцией В на магнитик, расположенный в горизонтальной плоскости и обладающий магнитным моментом L, реально воздействует механический момент М, равный векторному произведению этих векторов, то есть

M=L× B или в скалярной форме M=L·В·sinα , где α - угол между ними.

При этом он направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены эти векторы. Но поворот магнитика может происходить только под действием составляющей, совпадающей с осью вращения, другие составляющие уравновешиваются реакцией опоры и, непосредственно, на значение результата измерений влияния не оказывает. Можно сказать и так: общее выражение М=L× В, или в скалярной форме M=L·В·sinα , определяет, создаваемый в результате взаимодействия между L и В момент (момент относительно точки измерения, точки О), а измеряемый момент (момент относительно оси поворота), составляет только часть общего момента. При этом другие ортогональные составляющие общего момента уравновешиваются реакциями опоры. Таким образом, из всех составляющих момента, образующихся в результате взаимодействия двух векторов, в качестве измеряемого реализуется только один. Из этого выражения видно, что момент, вызывающий поворот магнитика на угол ϕ , будет пропорционален измеряемой составляющей вектора В только в случае, когда ось чувствительности будет совпадать с соответствующей осью системы координат МПЗ, при этом угол α равен 90° .

Рассмотрим случай, когда ось общей платформы составляет с направлением системы координат, в которой расположен вектор измеряемого поля, угол γ . Аналитические выкладки иллюстрируются на фиг. 1; 2а, б.

Выразим векторное произведение векторов L и В в проекциях на оси декартовой системы координат, в которой определен вектор измеряемого поля В. В общем случае это разложение имеет вид

М_х=L_y·В_z-L_z·B_y; M_y=L_z·B_x-L_x·Вz; M_z=L_x·B_y-L_y-B_x.

Для преобразователя D с учетом того, что: L_x=L·cosγ ; L_y=L·sinγ ; L_z=0, имеем:

M_x=L·sinγ ·В_z; M_y=-(L·cosγ )·B_z, M_z=L·cosγ ·B_y-L·sinγ ·B_x

Для Z-преобразователя имеем L_x=L·cosγ ; L_y=L·sinγ ; L_z=0, откуда

M_x=L·sinγ ·B_z; M_y=-(L·cosγ ·B_z). М_z=L·cosγ ·B_у-L·sinγ ·B_x

при этом измеряемым моментом является M_y.

Для Н-преобразователя имеем L_x=L·sinγ ; L_y=-L·cosγ ; L_z=0, тогда создаваемые моменты будут М_х=-L·cosγ ·В_z; М_у=-L·sinγ ·В_z; М_z=L·sinγ ·В_у-(-L·cosγ )·B_x.

Соответственно для Z’-преобразователя имеем L_x=L·cosγ ; L_y=L·sinγ ; L_z=0, откуда M_x=L·sinγ ·В_z, M_y=-(L·cosγ ·В_z); М_z=L·cosγ ·B_y-L·sinγ ·B_x при этом измеряемым моментом является М_х.

Теперь по сумме квадратов, измеренных моментов тесламетром - прототипом, определим квадрат измеряемого модуля механического момента.

Отсюда следует, что значения вычисленного модуля по измеренным составляющим момента от угла рассогласования осей систем координат γ и, так же, как и каждая из измеренных составляющих, действительному значению поля не равны, чем как раз и определяется функциональная связь между ними. Из анализа выражения (2) следует, что в случаях, когда Bz=0 или (и) γ =0, а также когда Вх=0 или By=0 и γ =0 при значениях Вz≠ 0 вычисляемый модуль равен модулю вектора В в точке измерения. Что, как говорится, требовалось доказать. Но анализ формулы (2) не только объясняет причину, но и определяет пути построения тесламетра, по измеренным значениям которого вычисляемый модуль вектора В был бы равен его действительному значению. Так, например, если тесламетр-прототип дополнить еще одним блоком, аналогичным блоку Z, но с осью поворота перпендикулярной оси поворота ЧЭ существующего блока Z, то создаваемый момент в новом блоке будет пропорционален sinγ . Таким образом, в подкоренном выражении формулы (2) появится член (L·sinγ ·Bz)². Теперь сумма квадратов моментов, создаваемых этими двумя Z-блоками, будет равна

L²·Bz²(sin²γ^{+cos2γ)=L2·Bz2.}

Вывод. При таком построении тесламетра вычисляемый модуль по измеренным значениям моментов всех четырех блоков не будет зависеть от углового положения тесламетра в горизонтальной плоскости и будет равен модулю вектора В в точке измерения. При этом измеренных данных достаточно для вычисления углового положения объекта, в отличие от возможностей трехблочного тесламетра-прототипа или компонентных тесламетров других типов, требующих для этого знания межкоординатных связей. В случае применения предлагаемого четырехблочного тесламетра необходимость этой связи устраняется как раз через зависимость значений измеренных моментов от угла γ .

Покажем, что полученных данных измерений всеми четырьмя блоками достаточно для определения не только всех элементов магнитного поля, но и углового положения объекта, носителя измерительной аппаратуры.

Итак, известны результаты измерений D, Z, Н и Z’ - преобразователей (см. фиг. 2а, б), которые пропорциональны соответствующим моментам:

D→ Mz=L·cosγ ·B_y-L·sinγ ·B_x

Z→ M_y=-(L·cosγ ·Bz)

H→ М_z=L·sinγ ·В_у-(-L·cosγ )·B_x

Z'→ M_x=L·sinγ ·B_z

Необходимо определить: модуль вектора индукции В и его составляющие (B_x, B_y, В_z), магнитное склонение (D) и наклонение (J) в любой геомагнитной системе координат и угол γ .

Решение

В²=K²·(М2x

B²-В2z

B_y=B_h·sin D; tg J=B_z/B_h, где K - коэффициент согласования размерностей,

γ - угол рассогласования систем координат в горизонтальной плоскости. Рассмотренный случай соответствует положению, когда системы координат рассогласованы только в горизонтальной плоскости. В общем случае, когда все три оси не совпадают, решение заключается в переносе одного из векторов в одну систему координат, например геомагнитную, составлении выражений для моментов измеряемых соответствующими блоками, используя известные формулы координатных преобразований, и, наконец, по известным из аналитической геометрии зависимостям решают получившуюся систему уравнений.

Таким образом, определение всех элементов МПЗ предлагаемым тесламетром характеризуется процессом одновременного измерения составляющих магнитного поля, значения которых функционально связаны с углами взаимного расположения систем координат векторов измеряемого поля и измерителя выражением их векторного произведения.

Признаки, отличающие измерение предлагаемым тесламетром от известных, заключаются в том, что для измерения выбраны другие составляющие измеряемого поля, во-первых, а во-вторых, эти измерения могут быть выполнены только предлагаемым магнитомеханическим тесламетром.

Предлагаемое изобретение не только устраняет необходимость предварительной установки горизонтированного тесламетра в плоскость магнитного меридиана, чем существенно упрощает измерения и увеличивает их точность в традиционных областях применения тесламетров этого типа, но также открывает новые области применения в их числе: определение углового положения объекта - носителя измерительной аппаратуры относительно вектора индукции магнитного поля Земли при произвольном пространственном положении тесламетра. Это открывает новые перспективы в управлении ориентацией КА, которое является главным режимом управления его движением и производится непрерывно (в большинстве случаев) многими месяцами и годами, а другие режимы (коррекция траектории, спуск, сближения, поиск ориентиров и т.п.) являются операциями относительно кратковременными. При этом другие режимы невозможно реализовать без предварительно осуществленного режима ориентации. Поэтому выбор способа и средств определения параметров углового положения КА в пространстве существенно влияет на весь процесс управления его ориентацией.

Другим перспективньм направлением использования предлагаемого тесламетра является способ векторной съемки магнитного поля Земли, который может быть выполнен только тесламетром этого типа. Способ действительно является автономным, исключает необходимость использования дополнительных систем, что делает систему более надежной, точной и простой. Кроме того, способ обеспечивает существенное уменьшение влияния магнитных помех на результат измерений, поскольку помеха одновременно и в равной мере действует как на измеритель, так и на источник поля, результаты сравнения которых между собой являются выходными параметрами измерительной системы. Не менее существенным является и то, что алгоритмы вычисления в предлагаемом способе трудно даже сравнивать со сложными и объемными алгоритмами, используемыми известными способами.

Сущность предлагаемого устройства и его существенные отличия от прототипа поясняются чертежом на фиг. 1, где 1 - основание, 2, 3, 4, 5 - D, Z, H и Z’ - преобразователи соответственно. На чертеже в качестве чувствительных элементов изображены магнитики, обладающие магнитным моментом L и указаны оси чувствительности (Ч) и оси поворота (П), тем самым определено их взаимное расположение. Существенные отличительные признаки устройства заключаются, с одной стороны, в установке дополнительного Z’-преобразователя, характеризующегося взаимным расположением его осей чувствительности и поворота относительно остальных, что обеспечило возможность измерения по всем ортогональным осям чувствительности при любом положении блока измерителей относительно магнитного меридиана в отличие от трехблочного тесламетра, а с другой стороны, - конструкцией первичных магнитомеханических преобразователей тесламетра, выбранного в качестве прототипа [1]. Кажущаяся простота конструкции прототипа не отвечает требованиям современного производства. Совершенно очевидно, что резко уменьшить стоимость, массогабаритные характеристики, увеличить надежность и другие технико-экономические показатели можно лишь на новой технологической основе. Такой основой является технология микроэлектроники, использующая полупроводниковые материалы, электронную и рентгеновскую литографию и групповой способ производства. Целью разработки конструкции первичных преобразователей предлагаемого тесламетра является удовлетворение ее в наибольшей степени требованиям современной технологии. На фиг. 3 схематично представлена предлагаемая конструкция преобразователя, где в квадратном основании 1, представляющем собой тонкую пластину, например, из кремния или кварца, методами электронной технологии вытравлена подвижная часть преобразователя - двуплечая симметричная балка 2, которая двумя тонкими торсионами 3, расположенными вдоль диагонали квадратного основания, образует с его периферийной частью единое целое. При этом торсионы глубоко утоплены вглубь контура балки с целью увеличить в √ 2 раз, их длину за счет использования длины диагонали квадрата вместо длины его стороны, что позволяет существенно увеличить чувствительность преобразователя (5), обусловленную соответствующим снижением жесткости (с) торсионов, поскольку S=(L/с)·sinα .

В центре балки размещен магнит 4, магнитная ось которого перпендикулярна оси поворота балки (5). Плечи балки представляют собой лепестки 6, площадь которых почти равна площади квадрата основания. С целью увеличения магнитного момента на лепестках методами современной технологии нанесены полюсные наконечники 7, выполненные из ферромагнитного материала с большой индукцией насыщения, что совместно с увеличением удлинения магнитной системы за счет полюсных наконечников обеспечивает вследствие этого увеличение магнитного момента и, следовательно, увеличения чувствительности преобразователя.

Кроме того, эффективное использование площади подвижной части преобразователя позволяет минимизировать габариты преобразователя, обеспечивающие необходимые значения площади элементов вторичных преобразователей, например, электроемкостных или токовихревых. Совместное действие этих факторов позволяет построить малогабаритный высокочувствительный преобразователь.

Основание с обеих сторон герметично закрыто, например, стеклянными крышками с целью предохранения преобразователя от воздействия внешней среды. На крышках и лепестках балки могут быть размещены элементы вторичных преобразователей, а также ограничители поворота балки, предохраняющие ее торсионы от разрушения при механических перегрузках и ограничивающие ее ход в пределах пропорциональной зависимости угла поворота от значения приложенного момента.

На основании анализа существенных признаков можно сделать вывод о том, что устройство отличается от прототипа:

- использованием дополнительно еще одного однокомпонентного преобразователя,

- взаимным расположением осей чувствительности и поворотов магнитов совокупности всех четырех преобразователей,

- конструкцией первичных преобразователей и

- технологией их изготовления.

В целом предлагаемый тесламетр не требует определенной ориентации измерителя относительно плоскости магнитного меридиана, осуществляется достаточно простыми техническими средствами, отличается простотой вычислительного алгоритма. Все это является источником положительного эффекта использования предлагаемого тесламетра.

Перечень фигур графических изображений

Сущность изобретения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлен схематический вид тесламетра общий и для прототипа, и для предлагаемого устройства, где 1 - общее основание магнитомеханического тесламетра, 2, 3, 4, 5 - соответственно блоки D-, Z-, H-, Z’-преобразователей, стрелки, на корпусе которых показывают направление осей их чувствительности. На фиг. 2а, б представлены графические построения, иллюстрирующие аналитические выкладки, приведенные в тексте описания устройства. На фиг.3 схематически (вид в плане) представлена конструкция первичного магнитомеханического преобразователя за исключением крышек и элементов вторичных преобразователей, упоминаемых в тексте описания.

Источников информации

1. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе "Разработка и создание высокочувствительных термостабилизированых магнитных вариометров". Новосибирск, 1993 г.

2. Бобров В.H. Серия кварцевых магнитных вариометров. Геомагнетизм и аэрономия, №2, 1962 г.

3. Yu.Kopytenko, E.A.Kopytenko, L.G.Amosov, D.B.Zaitsev, P.M.Voronov and Yu.P.Timoshenkov. Magnetovariation Complex MVC-2. 1994.

Изобретение относится к области средств, предназначенных для измерения параметров магнитного поля. Технический результат заключается в устранении необходимости предварительной ориентации измерителя в пространстве относительно вектора измеряемого поля. В магнитомеханический тесламетр, содержащий три идентичных магнитомеханических преобразователя, установленных на общем основании, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, дополнительно на то же основание установлен еще один идентичный преобразователь, который расположен таким образом, что оси чувствительности двух, теперь из четырех, преобразователей взаимно перпендикулярны, а оси поворота параллельны, и еще двух преобразователей оси чувствительности которых параллельны, а их оси поворота перпендикулярны. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитомеханический тесламетр, содержащий три идентичных магнитомеханических преобразователя, установленных на общем основании, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, отличающийся тем, что на то же основание установлен еще один идентичный преобразователь, который расположен таким образом, что оси чувствительности двух, теперь из четырех, преобразователей взаимно перпендикулярны, а оси поворота параллельны, и еще двух преобразователей, оси чувствительности которых параллельны, а их оси поворота перпендикулярны.2. Магнитомеханический тесламетр по п.1, отличающийся тем, что каждый из магнитомеханических преобразователей представляет собой квадратное основание единой твердотельной конструкции, на котором методами электронной технологии вытравлена подвижная часть преобразователя - двуплечая симметричная балка, которая по всему периметру, за исключением глубоко вдающихся в ее центр торсионов, расположенных по диагонали квадрата, отделена от периферийной части основания сквозной щелью, позволяющей балке, с размещенной на ней элементами вторичного преобразователя измерительного канала и магнитной системой, ось которой перпендикулярна оси торсионов, поворачиваться вокруг оси, проходящей через торсионы, представляющие единое целое с основанием, которое с обеих сторон герметично закрыто крышками, предохраняющими преобразователи от воздействия внешней среды и содержащими расположенные на крышках ограничители поворота подвижной части преобразователя в пределах значений, пропорциональных зависимости угла ее поворота от значения приложенного механического момента, а также предохраняющими торсионы от разрушения при механических перегрузках внутренней подвижной части основания.3. Магнитомеханический тесламетр по п.2, отличающийся тем, что магнитная система каждого из магнитомеханических преобразователей состоит из магнита, размещенного в центре балки, и полюсных наконечников, выполненных на плечах балки методами микроэлектронной технологии из ферромагнитных материалов с большим значением индукции насыщения, что в результате совместного эффекта приводит к увеличению магнитного момента и, следовательно, к увеличению чувствительности магнитомеханических преобразователей при минимальных габаритах.