Способ производственного контроля характеристики преобразования феррозонда 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 насыщения материала 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 непосредственно 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 показаний эталонного магнитометра равного 70 мкТл. Вольтметром контролируют среднее значение ЭДС в сигнальной обмотке феррозонда. 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, в отсутствии данных о смещении нуля феррозонда.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в работе [3], который 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 режиме функционирования магнитометра измеряют величину параметра Р₁ внешнего МП. В режиме контроля характеристики преобразования в обмотку (например, сигнальную) феррозонда дополнительно к току компенсации МП подают нормированный тестовый постоянный ток i_к1 одной полярности, проводят второе измерение параметра Р₂ МП, изменяют направление нормированного тестового постоянного тока i_к2=-i_к1, проводят третье измерение параметра Р₃ МП, где Δi_к=i_к1-i_к2=2i_к. Вычисляют крутизну характеристики преобразования МП магнитометра в виде отношения S=ΔP(Δi_к)/Δi_к, где использована информационная часть вычисления прототипа в обобщенном виде - зависимость крутизны характеристики от аргумента i_к.

Способ по исходному назначению предназначен для контроля крутизны характеристики 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), ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) и погрешностью прочих элементов до 0,1%, что существенно меньше погрешностей феррозондов, определяемых технологическими причинами и свойствами материалов.

Недостатком способа 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 его вычисления по результатам измерений амплитуд напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, при одном положении феррозонда в горизонтальной плоскости и противоположном - на 180°. 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 по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда с использованием микроконтроллера) 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.

Из работы [4], с учетом принятых в практике [5] упрощений, при стабильных частоте и амплитуде напряжения возбуждения феррозонда уравнение для амплитуды второй гармоники имеет вид: где Е_m - амплитуда второй гармоники выходной ЭДС, K - коэффициент преобразования феррозонда (крутизна характеристики феррозонда с размерностью В/Э), Н₀ - скалярная величина проекции вектора напряженности внешнего (измеряемого) МП на ось феррозонда, - статическая ошибка феррозонда (смещение нуля - значение Е_m при H₀=0). Поскольку напряженность величина векторная, то можно принять, что приведенное выше выражение определяет величину Е_m при совпадении проекции вектора напряженности внешнего МП с направлением оси феррозонда. При их противоположном направлении получаем . Отсюда сущность способа измерения величины напряжения смещения нуля феррозонда заключается в следующем.

В сердечнике феррозонда создают напряженность поля возбуждения. Феррозонд размещают горизонтально в помещении с магнитным полем Земли, вращают феррозонд вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости. При этом измеряют амплитуду Е_m. Вращение феррозонда осуществляют до получения максимального значения измеряемой амплитуды Е_m=Е_max1 напряжения второй гармоники в ЭДС сигнальной обмотки феррозонда. Запоминают результат первого измерения E_max1. Контролируя величину амплитуды Е_m напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, вращают феррозонд вокруг вертикальной оси на 180° до получения максимального значения измеряемой амплитуды Е_m=Е_max2 напряжения второй гармоники ЭДС в сигнальной обмотке феррозонда. При этом в одном случае и в другом случае, где i=1 или 2, a j=2 или 1 соответственно в зависимости от фазового соотношения сигналов К⋅H₀ и амплитуды второй гармоники ЭДС феррозонда. Функция модуля |…| введена с учетом применения, в частности, селективного вольтметра. Таким образом, где знак определяет полярность смещения нуля феррозонда. Вычисленное значение сравнивают с первым производственным допуском по смещению нуля: - границы допустимых отклонений.

В обмотку феррозонда подают тестовый постоянный ток i_к. Контролируя величину амплитуды Е_m напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, изменяют тестовый постоянный ток i_к в обмотке феррозонда (например, в сигнальной) от нулевого значения до i_к=i_к0 при котором значение амплитуды напряжения второй гармоники в выходной ЭДС феррозонда Е_m|i_к0=0. Запоминают значение тестового постоянного тока i_к0. Заметим, что зависимость E_m(i_к) имеет нелинейность, величина которой определяется соотношением напряженности H_к(i_к), и напряженности насыщения H_s материала сердечника феррозонда. Крутизну характеристики преобразования МП феррозондом вычисляют по формуле S=Е_max2/i_к0 с размерностью В/мА. Вычисленное значение сравнивают со вторым производственным допуском по крутизне характеристики преобразования МП феррозондом: S₁<S<S₂, где S₁, S₂ - границы допустимых отклонений. 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 [6]. 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 или аналогично работе [6] с использованием термоинерционных свойств.

Источники информации

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

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

3. Феррозондовый магнитометр. Авторское свидетельство №930176, MПK G01R 33/02, 1982.

4. Афанасьев Ю. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

5. Способ калибровки электронного магнитного компаса. Патент РФ №2572109, МПК G01С 17/38, 2015 г.

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

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность способа заключается в использовании горизонтальной проекции МП Земли в качестве основного эталона МП. Феррозонд, размещенный в горизонтальной плоскости, вращают в этой плоскости до получения максимального значения амплитуды Е_max1 напряжения второй гармоники Е_m в ЭДС феррозонда. Снова вращают феррозонд в горизонтальной плоскости на 180° до получения второго максимального значения Е_max2. Измерения проводят селективным вольтметром. Вычисляют смещения нуля феррозонда по формуле . В обмотку феррозонда подают постоянный тестовый ток компенсации внешнего МП i_к0. При этом величину и направление тока изменяют до выполнения соотношения E_m|i_к0=0. Крутизну характеристики преобразования феррозонда вычисляют по формуле S=|Е_max2/i_к0|. Технический результат - повышение информативности определения параметров контроля характеристики преобразования МП феррозондом.

Способ производственного контроля характеристики преобразования магнитного поля феррозонда, состоящий в том, что в сердечнике феррозонда создают напряженность поля возбуждения, измеряют величину параметра магнитного поля

P₁, в обмотку феррозонда подают тестовый постоянный ток i_к=i_к1, измеряют величину параметра магнитного поля Р₂, изменяют тестовый постоянный ток до i_к=i_к2, измеряют параметр магнитного поля Р₃, вычисляют приращение тестового постоянного тока Δi_к=i_к1-i_к2, вычисляют приращение параметра магнитного поля ΔР(Δi_к)=Р₂-Р₃, вычисляют крутизну характеристики преобразования магнитного поля в виде отношения S=ΔР(Δi_к)/Δi_к, отличающийся тем, что с целью повышения информативности и расширения функциональных возможностей параметр магнитного поля P_j с j=1, 2, 3 измеряют на выводах сигнальной обмотки феррозонда в единицах амплитуды напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, до измерений параметра магнитного поля P_j феррозонд размещают горизонтально в помещении с магнитным полем Земли, вращают феррозонд в горизонтальной плоскости до получения максимального значения измеряемого параметра магнитного поля Р₁=E_max1, запоминают результат измерения E_max1, устанавливают величину тестового постоянного тока i_к1=0, вращают феррозонд в горизонтальной плоскости на 180° до получения второго максимального значения измеряемого параметра P₂=E_max2 магнитного поля, запоминают результат измерения E_max2, изменяют тестовый постоянный ток до значения i_к2, при котором параметр магнитного поля запоминают значение тока i_к2, вычисляют величину смещения нуля феррозонда по формуле сравнивают значение с первым производственным допуском, сравнивают значение модуля S со вторым производственным допуском, при соответствии результатов сравнения производственным допускам феррозонд передают в эксплуатацию.