Способ контроля характеристики преобразования магнитного поля феррозондом Российский патент 2020 года по МПК G01R33/02 

Область применения

Способ предназначен для производственного контроля характеристики преобразования феррозондом проекции вектора магнитного поля (МП) Земли при напряженности измеряемого МП много меньше напряженности МП насыщения сердечника феррозонда [1]. В качестве информационного параметра рассматривается амплитуда напряжения второй гармоники в ЭДС (электродвижущая сила) сигнальной обмотки феррозонда.

Уровень техники

Известен способ контроля характеристики феррозонда [2], который заключается в соосной установке двух магнитов на расстоянии 40 см, между которыми соосно устанавливают феррозонд. Щуп эталонного магнитометра устанавливают в непосредственной близости к контролируемому феррозонду. Контролируют показания эталонного магнитометра и перемещают магниты до получения нулевого значения индукции по показаниям эталонного магнитометра. Подают электропитание на обмотку возбуждения контролируемого феррозонда. Перемещают один магнит ближе к контролируемому феррозонду до показания эталонного магнитометра равного 70 мкТл. Вольтметром контролируют среднее значение ЭДС феррозонда сигнальной обмотки. Сравнивают измеренное значение с заданным по документации значением 200 мВ, которое должно быть не менее. Измеряют частоту сигнала сигнальной обмотки. Сравнивают измеренное значение с заданным по документации значением. Возвращают первый магнит в исходное положение - нулевое значение индукции по показаниям эталонного магнитометра. Повторяют описанную процедуру с перемещением второго магнита.

Способ позволяет контролировать наличие функционирования феррозонда. Недостатком способа является низкая информативность, которая заключается в отсутствии данных о значении крутизны характеристики преобразования МП в электрический сигнал и отсутствии данных о смещении нуля феррозонда.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в работе [3] и представляющий контроль характеристики преобразования магнитометра. Данный способ и выбран в качестве прототипа. Способ предназначен для контроля крутизны характеристики преобразования магнитометром проекции вектора МП Земли на его ось. При этом магнитометр с феррозондом в качестве датчика МП выполнен по структурной схеме с отрицательной обратной связью (метод компенсации МП в сердечнике феррозонда). Сущность способа состоит в том, что в обычном (рабочем) режиме функционирования магнитометра измеряют величину параметра P₁ внешнего МП. В режиме контроля характеристики преобразования в обмотку (например, сигнальную) феррозонда дополнительно к току компенсации МП подают нормированный тестовый постоянный ток i_к=i_к1 одной полярности, проводят измерение параметра Р₂ МП, изменяют нормированный тестовый постоянный ток до i_к=i_к2 (меняют направление тока), вычисляют приращение тестового постоянного тока Δi_к=i_к1 - i_к2, проводят измерение параметра Р₃ МП. Вычисляют разность контрольных измерений параметра ΔP(Δi_к)=Р₂-Р₃ МП. Вычисляют крутизну характеристики преобразования магнитного поля магнитометра в виде отношения S=ΔP(Δi_к)/Δi_к, где использована информационная часть вычисления прототипа в обобщенном виде - зависимость крутизны характеристики от аргумента Δi_к.

Способ по исходному назначению предназначен для контроля крутизны преобразования магнитометра. В условиях производства при постоянной величине коэффициента преобразования электронной части магнитометра способ обеспечивает контроль крутизны преобразования различных феррозондов при нормальных климатических условиях. Например, в рабочем месте контроля феррозондов используется один и тот же блок электронной части магнитометра, выполненный на современной элементной базе с достаточной разрядностью АЦП (аналого-цифровой преобразователь), ПАП (цифроаналоговый преобразователь) и погрешностью прочих элементов до 0,1%, что существенно меньше погрешностей феррозондов, определяемых технологическими причинами производства и свойствами материалов.

Недостатком способа контроля характеристики преобразования магнитного поля феррозондом является недостаточная информативность, заключающаяся в отсутствии информации о величине смещения нуля феррозонда. Кроме того, способ не позволяет проводить производственные температурные испытания в части стабильности характеристики конкретного феррозонда по преобразованию МП вследствие компенсации ее температурных изменений в магнитометре, организованного по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда.

Цель изобретения

Целью изобретения является повышение информативности и расширение функциональных возможностей.

Повышение информативности обеспечивается контролем смещения нуля феррозонда путем измерения амплитуды напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, размещенного в ферромагнитном экране. Расширение функциональных возможностей, например, температурные испытания феррозонда, обеспечивается контролем его характеристик непосредственно по прямым измерениям основного параметра - амплитуды напряжения второй гармоники выходной ЭДС.

Сущность изобретения

Способ предполагает в производственном рабочем месте контроля параметров феррозонда использование, например, селективного вольтметра для измерения амплитуды Е_m напряжения второй гармоники в ЭДС феррозонда, высокостабильного генератора возбуждения феррозонда и регулируемого источника тестового постоянного тока. Возможно, также использование электронной части магнитометра (организованного с использованием микроконтроллера по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда) с соответствующим изменением ее программного обеспечения. В зоне размещения феррозонда должны отсутствовать источники МП, ферромагнитные массы. При наличии переменных индустриальных помех в МП, результаты по предлагаемому способу могут быть подвергнуты статистической обработке.

В сердечнике феррозонда создают напряженность поля возбуждения. Феррозонд размещают горизонтально в помещении с магнитным полем Земли. Величину тестового постоянного тока i_к в обмотке феррозонда устанавливают равной i_к=i_к1=0. Вращают феррозонд в горизонтальной плоскости (вокруг вертикальной оси) до получения максимального значения измеряемой амплитуды Е_m=Е_mах напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда. В обмотку (например, сигнальную) феррозонда подают тестовый постоянный ток i_к ≠ 0. Контролируя величину амплитуды Е_m напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, устанавливают величину тестового постоянного тока i_к=i_к2, при котором значение амплитуды напряжения второй гармоники в выходной ЭДС феррозонда E_m(i_к2)=0. Заметим, что зависимость Е_m(i_к) имеет нелинейность, величина которой определяется соотношением напряженности H_к(i_к) и напряженности H_s насыщения материала сердечника феррозонда. Далее помещают феррозонд в ферромагнитный экран. Соответственно в сердечнике феррозонда отсутствует составляющая напряженности внешнего МП. В обмотке феррозонда уменьшают тестовый постоянный ток до i_к=0. При этом выходной сигнал E_m=Е_{m_см} в виде амплитуды напряжения второй гармоники в ЭДС феррозонда будет определяться, в частности, производственной асимметрией феррозонда - «смещением нуля». Измеренное значение Е_{m_см} сравнивают с первым производственным допуском по смещению нуля: E_m1<E_{m_см}<Е_m2, где E_m1, E_m2 - границы допустимых отклонений. Далее вычисляют крутизну S характеристики преобразования МП феррозондом по формуле S=Е_mах/i_к2. Вычисленное значение сравнивают со вторым производственным допуском - по крутизне характеристики преобразования МП феррозондом: S₁<⏐S⏐<S₂, где S₁, S₂ - границы допустимых отклонений в положительных величинах. Тестовый постоянный ток i_к=i_к2 может иметь любой знак в зависимости от ориентации оси феррозонда относительно вектора МП Земли. Для однозначности контроля соответствия крутизны производственному допуску сравнение проводят по абсолютной величине ⏐S⏐. При соответствии результатов сравнения производственным допускам феррозонд передают в эксплуатацию.

Физические основы нелинейности зависимости E_m(i_к) аналогичны известным причинам, приводящим к нелинейности при измерении параметра МП магнитометром по методу прямого преобразования (непосредственное измерение амплитуды Е_m феррозонда). При H_к(i_к0)/H_s≤0,1 величина нелинейности при расчете с использованием arctg аппроксимации петли гистерезиса материала сердечника феррозонда составляет величину ≤3%. Это отличие от линейности не препятствует разбраковке феррозондов при их изготовлении с допуском ΔS=±15…30% и более. Отличие S от феррозонда к феррозонду при их изготовлении в пределах допуска ΔS устраняется на этапе регулировки магнитометра, например, с использованием прецизионных методов контроля [4]. При необходимости рассмотренная нелинейность характеристики феррозонда при их разбраковке может быть учтена как систематическая погрешность.

Технический результат

Применение способа в производственных условиях повышает информативность определения параметров контроля характеристики преобразования МП феррозондом. При этом обеспечивается возможность контроля рассмотренных параметров феррозонда без применения дорогостоящих и сложных в эксплуатации стандартного эталона МП или колец Гельмгольца, что существенно упрощает процедуру контроля. Другим положительным свойством способа является возможность анализа (контроля) температурной погрешности непосредственно характеристики преобразования МП феррозондом, например, при нагреве феррозонда термофеном.

Источники информации

1. Афанасьев Ю. Феррозонды. Л.: Энергоатомиздат, 1969.

2. ДАТЧИК ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ДФ-002 Инструкция по контролю параметров ИНАЯ.411511.002 И22, Санкт-Петербург, 2018 г.

3. Феррозондовый магнитометр. Авторское свидетельство №930176, МПК G01R 33/02 (1982/05).

4. Магнитометр аналоговый МА-5 Технические условия КМИВ.411172.004 ТУ, г. Раменское, 2000 г.

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат – повышение информативности определения параметров контроля характеристики преобразования магнитного поля (МП) феррозондом. Сущность изобретения заключается в том, что повышение информативности обеспечивается контролем смещения нуля феррозонда путем измерения амплитуды напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, размещенного в ферромагнитном экране.

Способ контроля характеристики преобразования магнитного поля феррозондом состоит в том, что в сердечнике феррозонда создают напряженность поля возбуждения, измеряют величину параметра P₁ магнитного поля, в обмотку феррозонда подают тестовый постоянный ток i_к=i_к1, измеряют величину параметра Р₂ магнитного поля, изменяют тестовый постоянный ток до i_к=i_к2, измеряют параметр Р₃ магнитного поля, вычисляют приращение тестового постоянного тока Δi_к=i_к1 - i_к2, вычисляют приращение параметра магнитного поля ΔP(Δi_к)=Р₂-Р₃, вычисляют крутизну S характеристики преобразования магнитного поля в виде отношения S=ΔP(Δi_к)/Δi_к, отличающийся тем, что с целью повышения информативности и расширения функциональных возможностей параметр P_j магнитного поля с j=1, 2, 3 измеряют на выводах сигнальной обмотки феррозонда в единицах амплитуды Е_m напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, до измерений параметра магнитного поля феррозонд размещают горизонтально в помещении с магнитным полем Земли, устанавливают величину тестового постоянного тока i_к1=0, запоминают значение i_к1 для расчета Δi_к, вращают феррозонд в горизонтальной плоскости до получения максимального значения измеряемого параметра Р₂=Р_mах=Е_мах магнитного поля, затем изменяют тестовый постоянный ток i_к2, контролируя параметр Р₃=Е_m магнитного поля до получения величины Е_m=0, запоминают значение i_к2(E_m=0) для расчета Δi_к, устанавливают величину тока i_к=0, измерение величины параметра P₁=E_{m_см} магнитного поля проводят с феррозондом, который размещают в ферромагнитный экран, сравнивают значение Е_{m_см} с первым производственным допуском, сравнивают значение ⏐S⏐ со вторым производственным допуском, при соответствии результатов сравнения производственным допускам феррозонд передают в эксплуатацию.