СПОСОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И МЕХАНОЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2006 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к средствам измерения индукции магнитного поля, основанным на использовании механических измерительных преобразователей. Процессы, протекающие в таких преобразователях, основаны на силовом взаимодействии обладающих магнитным моментом тел или иных частиц с измеряемым полем в соответствии с законом Ампера. То есть, возникновение механической силы в таких преобразователях вызвано взаимодействием или молекулярных токов в магнитах, или токов проводимости в контурах, являющихся чувствительными элементами преобразователей.

Существенным признаком предлагаемого в изобретении способа является то, что взаимодействие с измеряемым полем осуществляется не токами проводимости в токовых контурах или молекулярными токами магнитов, а так называемыми токами смещения в электрическом цилиндрическом конденсаторе, не обусловленных движением каких-либо заряженных частиц в его межэлектродном пространстве.

Чувствительным элементом, используемым в этом способе, является электрический цилиндрический конденсатор, не обладающий ни магнитным моментом, ни движением заряженных частиц между его обкладками. На первый взгляд нашего обыденного представления, это кажется бессмысленным.

Эту бессмысленность в свое время разрушил Максвелл.

Анализируя известные к тому времени основные законы электромагнетизма, Максвелл обратил внимание на то, что, с одной стороны, электрические и магнитные явления и законы симметричны, так: аналогом напряженности электрического поля является напряженность магнитного поля, магнитной индукции соответствует электрическое смещение (электрическая индукция), как напряженность магнитного, так и смещение (индукция) электрического поля убывают обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, но, с другой стороны, симметрия нарушена: существуют электрические заряды, но не существует магнитных зарядов (монополей), существует электрический ток, но нет тока магнитного, известно, что происходит при изменениях магнитного поля, но не описано в известных законах, что происходит при изменениях электрического поля.

Вероятно, такой анализ привел Максвелла к формулировке так называемых уравнений Максвелла, в которых он собрал воедино известные законы электромагнетизма и предложил решающий добавочный член в закон Био-Савара-Лапласа, описывающий действие изменяющегося со временем электрического поля.

Это уравнение Максвелла гласит:

магнитное поле создается движущимися зарядами-токами проводимости и токами смещения.

Именно этот факт является основой предлагаемого способа.

Рассмотрим, как происходит процесс заряда электрического конденсатора. Конденсатор, подключенный к источнику напряжения, начинает заряжаться и по соединительным проводам идет ток заряда, а вокруг них образуется пропорциональное ему магнитное поле. Одновременно с этим, по мере роста электрического заряда на пластинах конденсатора, изменяется электрическое поле между ними и, согласно этому уравнению Максвелла, возникает магнитное поле в зазоре между его пластинами. При этом оказывается, что изменяющееся электрическое поле в конденсаторе приводит к такому же результату, что и ток в соединительных проводах. Линии магнитного поля, охватывающие зазор конденсатора, будут такими же, как и вокруг подводящих проводов.

Если мы плоский конденсатор подвесим на гибкой нити, так, что плоскость зазора между пластинами будет совпадать с плоскостью измеряемого вектора индукции магнитного поля и так как в этом случае ток смещения перпендикулярен вектору поля, то под действием сил Ампера он, при периодическом заряде разряде, начнет раскачиваться в плоскости его пластин. Преобразуя угол отклонения его от равновесного состояния (вертикального) с помощью того или иного типа вторичного преобразователя, мы можем получить информацию об измеряемом поле.

Так как только в случае, когда составляющая вектора измеряемого поля совпадает с осью чувствительности (осью подвеса в плоскости пластин) такого преобразователя, создается сила Ампера, то его следует отнести к классу векторных преобразователей.

Рассмотренная модель иллюстрирует только принцип реализации предлагаемого способа. Более эффективным является реализация способа на модели, использующей цилиндрический конденсатор. Такой преобразователь также является векторным преобразователем, но в результате взаимодействия формируется не сила, а механический момент, который следует измерить тем или иным способом. Предлагаемый способ относится к измерительному методу отклонения.

Метод отклонения (непосредственного отсчета) основан на том, что измеряемая (входная) величина вызывает отклонение выходной величины либо непосредственно, либо после преобразования ее в промежуточную величину (промежуточное отображение). Отсутствие источников вспомогательной энергии указывает на то, что необходимая для процесса измерения энергия отбирается от объекта измерений. При этом неизбежно возникновение взаимных воздействий между объектом и средством измерений.

При технических реализациях этого метода процесс сравнения измеряемой величины с ее единицей, воспроизводимой мерой, часто оказывается более скрытым, нежели, к примеру, измерение длины линейкой. Во многих случаях измеряемая величина преобразуется в свое отображение, при котором вторичные сигналы отображения возникают в результате обмена энергией между объектом и средством измерений, что вызывает (в случае механических величин) соответствующие силы (усилия). В измерительном приборе возникает измерительная сила действия, которой противопоставляется сила противодействия, формируемая специальным устройством. Это устройство и выполняет функцию встроенной меры. При уравновешивании указанных сил, процесс измерения завершается.

Именно такой ситуации соответствует предлагаемый способ. Измеряемая входная величина - индукция магнитного поля, преобразованная в первичном механоэлектрическом преобразователе в механический момент, сравнивается с однородной ей физической величиной - механическим моментом противодействия упругой связи чувствительного элемента с корпусом прибора, выполняющей функцию встроенной меры. При уравновешивании этих моментов, значение измеряемой индукции равно значению меры в этот момент времени.

В самом названии «механоэлектроемкостный магнитный преобразователь» уже заключен принцип используемого физического явления, выражаемый законом Ампера, связывающего вектор индукции магнитного поля В с механическими величинами (силой, механическим моментом), путем использования взаимодействия токов смещения в электрическом конденсаторе с измеряемым полем.

Принципиально, такой преобразователь представляет собой своеобразный токовый контур, в котором токи смещения направлены радиально от центра (к центру) оси торсионного подвеса конденсатора, дающего возможность ему, благодаря торсионной подвеске, поворачиваться относительно неподвижного основания в результате взаимодействия с измеряемым магнитным полем. Будучи помещенным в магнитное поле с индукцией В, этот своеобразный токовый контур (цилиндрический конденсатор), являющийся чувствительным элементом преобразователя, в результате взаимодействия токов смещения с полем, под действием возникшего механического момента М должен был бы поворачиваться, преодолевая момент M_с сопротивления торсионов. Однако, поскольку для прохождения тока электрическая цепь должна быть замкнутой, постольку вне конденсатора ток должен возвратиться опять к центру. При этом независимо от конфигурации проводников она всегда должна иметь радиальную составляющую, по которой проходит весь ток, направление которого противоположно «входящему» в конденсатор току. Эта составляющая тока будет создавать механический момент, равный и противоположно направленный механическому моменту, создаваемому токами смещения. Поэтому ожидаемый поворот не совершается.

Каким образом эту проблему решает предлагаемый в изобретении способ, рассмотрим на схематическом изображении конструкции устройства - механоэлектроемкостного преобразователя (фиг.1). Конденсатор конструктивно разделяют на два конденсатора (С1, С2), каждый из которых представляет собой два цилиндрических металлических стакана, концентрически вставленных один в другой и разделенных слоем диэлектрика (1). Через донца стаканов конденсаторы упругими элементами (2, 3) соединены между собой и с корпусом прибора. При этом упругие элементы внутренних стаканов одновременно выполняют роль токоподводов от генератора импульсов переменного тока (U_г) к соединенным последовательно конденсаторам.

Внешние стаканы соединены между собой в центре: упругой кварцевой нитью - торсионом (4), а образующие цилиндров электрически соединены упругими токоподводами (5).

Рассматриваемая принципиальная конструктивная схема, конечно, может реализовываться и другими известными видами упругой механической и электрической связи между конденсаторами в соответствии с предлагаемым способом. Так, например, вместо гибких токоподводов (2, 3), играющих одновременно роль торсионов, можно применить гибкие нити из плавленого кварца, в качестве торсионов, а электрическую связь осуществлять ленточными токоподводами из температуростабильных сплавов, например, элинвара, обладающего почти нулевым температурным коэффициентом, правда, в не очень широком диапазоне температур. При этом применение плавленого кварца, обладающего рядом превосходных качеств: высокой прочностью, позволяющей обходиться без арретирования подвижных элементов; изготавливать нити и стержни любой толщины, вплоть до нескольких микрон, причем кварцевые нити и стержни легко свариваются между собой и с другими деталями из металла, кроме того, кварц обладает хорошими температурными характеристиками. Еще одним замечательным свойством плавленого кварца является то, что предел пропорциональности почти совпадает с пределом прочности. Особенностью является также аномальная зависимость упругости от температуры (с ростом температуры - упругость у кварца увеличивается). В рассматриваемом случае из кварца выполнен только упругий элемент связи между конденсаторами (4).

В результате таких изменений моменты, подлежащие измерению, функционально связаны с токами смещения в каждой из частей конденсатора.

Такое решение является вторым существенным признаком предлагаемого способа.

Так как, в каждом из конденсаторов М=L×В или в скалярной форме

М=L·B·sinα, a M_c=с·ϕ,

где L - суммарный магнитный момент токов смещения (чувствительного элемента);

M_c - механический момент сопротивления,

α - угол между векторами L и B,

с - удельный крутящий момент торсионов,

ϕ - угол, соответствующий равновесию моментов М и M_с,

то при этом имеем: L·B·sinα=с·ϕ, откуда следует, что угол поворота конденсатора (ЧЭ) определяется выражением:

ϕ=(L·B·sinα)/с=(L·sinα)/с·В=S·B,

где S - чувствительность преобразователя магнитометра, зависящая от угла α.

При этом угол поворота будет пропорционален измеряемому вектору только в случае равенства: sinα=1, то-есть, только в случае параллельности измеряемого вектора и оси поворота конденсатора, в остальных случаях угол поворота будет пропорционален только проекции вектора на направление оси поворота. Это можно выразить как пропорциональность угла поворота конденсатора произведению (B·cosα) - проекции вектора на направление оси поворота - оси чувствительности преобразователя. Поэтому, такой преобразователь является векторным измерителем и, следовательно, обладает определенной ориентационной зависимостью. Это специфическое свойство всех векторных измерителей отражается в их диаграммах направленности.

Дальнейшее преобразование выходного параметра преобразователя (угла ϕ) в удобную для использования величину реализуют известными вторичными преобразователями, основанными на различных физических принципах.

В зависимости от этого вторичные преобразователи могут быть угломерными, фотоэлектрическими, электроемкостными, вихретоковыми, тензорезисторными, пьезорезонанснымии др.

В отличие от магнитомеханических преобразователей, в которых в силу их конструктивных особенностей, обусловленных особенностями механических моментов относительно точки и относительно оси, обладающих не только чувствительностью к угловому положению оси чувствительности преобразователя относительно направления вектора измеряемого поля (угол α), но и относительно плоскости, в которой расположен этот вектор (угол γ). Механоэлекгроемкостный преобразователь такой особенностью не обладает.

Так как предлагаемый способ соответствует принципу метода отклонения, основанного на том, что измеряемая величина (индукция магнитного поля) вызывает отклонение выходной величины, либо непосредственно, как в магнитном стрелочном компасе, либо после ее преобразования в цепочку промежуточных величин (механический момент, угол отклонения и т.д.), и потому ему присущи все особенности метода отклонения. А эти особенности заключаются в нижеследующих характеристиках.

- Отображаемый результат измерения представляет собой непосредственную реализацию зависимости выходной величины от входной величины, описываемую статической характеристикой средства измерения. При наличии промежуточных величин выходная величина, в конечном счете, также зависит от входной величины.

- Выходной сигнал, с учетом погрешностей, представляет собой отображение абсолютного значения измеряемой величины.

- Обычно шкала прибора, работающего по методу отклонения, начинается с натурального нуля. Однако в некоторых приборах требуется коррекция нулевой точки.

- Обмен энергией между объектом и средством измерений сопровождается их взаимными воздействиями. Значимость этих воздействий определяется соотношением требуемой и имеющейся в наличии энергии.

- По методу отклонения работают, например, магнитные компасы, простейшие электроизмерительные приборы, пружинные весы, жидкостные термометры и т.п.

Как следует из предлагаемого принципа устройства преобразователя, он представляет собой механическую колебательную систему, содержащую два конденсатора, обладающие определенной массой, и гибкие элементы, образующие упругие связи между конденсаторами и каждого из них с корпусом прибора. Период собственных механических колебаний такой системы прямо пропорционален корню квадратному из массы конденсаторов и обратно пропорционален корню квадратному из жесткости упругих элементов системы подвески конденсаторов. Но, кроме этого, эта механическая система свободных колебаний через конденсатор соединена с генератором вынуждающих колебаний. И, наконец, и это главное, конденсаторные токи смещения взаимодействует с магнитным полем, вследствие чего амплитуда вынужденных колебаний, при неизменности всех прочих условий, пропорциональна измеряемой индукции поля.

Какие свойства присущи предлагаемому способу и устройству его реализующему?

Во-первых, выходная статическая характеристика преобразования принципиально обладает линейностью в широком диапазоне измерений. Это обусловлено тем, что контур токов смещения симметричен, благодаря применению конденсатора цилиндрической формы и поэтому при повороте конденсатора чувствительность преобразователя не изменяется.

Преобразователь является векторным измерителем с косинусоидальной зависимостью выходного сигнала от угла между осью чувствительности преобразователя и вектором измеряемого поля, но в отличие от магнитомеханических преобразователей, не требует установки оси поворота чувствительного элемента в плоскость магнитного меридиана, так как у него ось чувствительности коллинеарна с осью поворота. Поэтому результаты измерения в любом положении трехкомпонентного механоэлектроемкостного преобразователя позволяют вычислить значение модуля вектора измеряемого поля, аналогично, например, феррозондовому измерителю.

Так как электрическая цепь заряда-разряда конденсаторов имеет емкостный характер, то преобразователь потребляет от источника, в основном, реактивную мощность.

Чувствительность преобразователя может быть очень большой. Это обусловлено тем, что она пропорциональна значениям токов смещения, а они в свою очередь определяются значением емкости конденсаторов, которая при современной технологии их изготовления может быть значительной. Действительно, так как емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:

где ε - диэлектрическая постоянная межэлектродного пространства;

h - высота цилиндра;

D и d - соответственно, диаметры наружного и внутреннего цилиндров, разделенных диэлектрическим изоляционным слоем, то при толщине этого слоя в несколько микрон, которую может обеспечить современная технология, емкость, даже однослойного цилиндрического конденсатора, может быть достаточно большой.

Простота регулирования чувствительности, путем изменения сопротивления цепи заряда-разряда, позволяет, также просто, автоматизировать процесс и применить для измерения разновидность компенсационного способа - способ дополнения, чем обеспечить измерения с высокой чувствительностью во всем диапазоне.

Что касается недостатков механоэлектроемкостных преобразователей, то они связаны с принадлежностью их к электромеханическим системам.

Присущие этим системам инерционность, обусловленная массами и моментами инерции подвижных чувствительных элементов, характеристиками упругих связей, температурными влияниями, существенной зависимостью от механических воздействий (вибраций, ударов, ускорений) определяют круг задач, решаемых с их помощью. И этот круг все же достаточно широк.

Ниже представлены некоторые из этих задач:

- обеспечение службы непрерывных магнитовариационных наблюдений на стационарных магнитных обсерваториях;

- обеспечение наземных магнитотеллурических методов исследования глубинного строения Земли;

- проведение стационарных магнитовариационных измерений в интересах решения проблемы прогноза землетрясений;

- обеспечение метрологических исследований, в частности, стабилизации магнитного поля в мерах магнитной индукции, индикация сверхслабых магнитных полей при аттестации мер магнитной индукции.

Принципиальные признаки, отличающие заявляемый способ от известных, заключаются в том, что для измерения используют взаимодействие не токов проводимости в электрических контурах или молекулярных токов в магнитах чувствительных элементов, а токи смещения в конденсаторе, во-первых, а во-вторых, конденсатор конструктивно разделяют на две части, связанные механически между собой и корпусом упругими связями, а электрически соединяют последовательно с генератором импульсов переменного тока. Такие измерения могут быть выполнены только с помощью предлагаемого устройства

Существенное отличие устройства заключается в возможности реализации предлагаемого способа измерения, характеризуемое достаточно простыми техническими средствами. Следует сказать, что предлагаемое устройство не является аналогом других типов векторных магнитных преобразователей, а является устройством, пополняющим арсенал средств аналогичного назначения, устроенного на других физических принципах

Все это, в целом, является существенными признаками предлагаемого способа и устройства его осуществляющего.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен общий схематический вид устройства и принцип предлагаемого способа измерения. Устройство, основой которого является конденсатор, конструктивно разделенный на два (С1, С2), каждый из которых представляет собой два цилиндрических металлических стакана, концентрически вставленных один в другой и разделенных слоем диэлектрика (1). Через донца стаканов конденсаторы упругими элементами (2, 3) соединены между собой и с корпусом прибора. При этом упругие элементы внутренних стаканов одновременно выполняют роль токоподводов от генератора импульсов переменного тока (U_г) к соединенным последовательно конденсаторам.

Внешние стаканы соединены между собой в центре: упругой кварцевой нитью - торсионом (4), а образующие цилиндров электрически соединены упругими токоподводами (5).

Осуществимость изобретения основана на известности и реализованности средств и методов, используемых в нем для решения поставленной задачи.

На основании анализа существенных признаков способа и устройства, его реализующего, можно сделать следующие выводы:

- способ и устройство представляют группу разнообъектных изобретений;

- у способа и устройства логическая связь отличительных признаков совпадает, что свидетельствует о единстве изобретательского замысла, заключающегося в решении задачи измерения индукции магнитного поля;

- сущность технического решения заключается в использовании взаимодействия токов смещения в цилиндрическом конденсаторе, состоящего из двух электрически последовательно соединенных частей и механически связанных между собой и корпусом упругими связями;

- устройство отличается возможностью измерения, обеспечиваемой совокупностью конструктивных элементов и их взаимными связями в соответствии с реализуемым способом.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к средствам измерения индукции магнитного поля, основанным на использовании механических измерительных преобразователей. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата использованы взаимодействия токов смещения в цилиндрическом конденсаторе, состоящем из двух электрически последовательно соединенных частей и механически связанных между собой и корпусом упругими связями. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерительного преобразования индукции магнитного поля, заключающийся в том, что в измерительном преобразователе для взаимодействия с магнитным полем используют не токи проводимости или магниты, а токи смещения в цилиндрическом электрическом конденсаторе путем конструктивного разделения его на две части, которые соединяют между собой и корпусом прибора упругими звеньями, а электрически подключают последовательно к генератору переменного тока так, что вынужденные крутильные механические колебания конденсаторов, обусловленные деформацией упругих связей при воздействии вынуждающего напряжения генератора и взаимодействия с измеряемым полем происходят синхронно в противоположных направлениях, амплитуды которых вторичными преобразователями того или иного типа (электроемкостными, токовихревыми, фотоэлектрическими или другими известными способами) преобразовывают в измерительный сигнал, линейно зависимый в широком диапазоне значений измеряемой индукции поля.2. Механоэлектроемкостный преобразователь для осуществления способа измерительного преобразования индукции магнитного поля, содержащий цилиндрический электрический конденсатор, конструктивно разделенный на две части, обкладки которых концентрически, последовательно с диэлектрическими слоями нанесены снаружи на цилиндрическую поверхность корпуса конденсатора, образуя две обкладки в каждом конденсаторе, при этом наружные обкладки конденсаторов соединены последовательно гибкими токоподводами, а внутренние подключены к генератору переменного тока, при этом механически конденсаторы соединены соосно упругими растяжками друг к другу и к корпусу прибора, на котором нанесены контактные выводы самого конденсатора, выводы и элементы вторичных преобразователей, соответствующие элементам преобразования, нанесенным на наружных поверхностях конденсаторов.