Способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы Российский патент 2021 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к области измерений магнитного момента (ММ) тела удлиненной формы, например, корабля или образца магнитного материала.

Известен двухточечный магнитометрический метод измерений ММ [1. Семенов В.Г., Сонина В.Э. Анализ методов измерения магнитных моментов // Метрология. 1992. №8. С. 3-46]. Метод [1] предполагался для измерений ММ крупногабаритных тел в дальней зоне (более полудлины тела), благодаря своей простоте и оперативности. Однако для тела удлиненной формы результирующая погрешность измерений ММ методом [1] оказалась слишком большой (30-40%) из-за значительной методической составляющей, или погрешности от недипольности.

Известен также [2. Патент РФ №2303792. Способ измерения магнитного момента крупногабаритного тела удлиненной формы]. Способ [2] основан на измерениях магнитной индукции (МИ) во множестве точек ближней зоны (менее полудлины тела). Множество точек измерения снижает погрешность измерения до 3%, но является существенным неудобством способа [2].

В 2017 г. метод [1] был усовершенствован в части снижения погрешности измерений до 10-13% [3. Патент РФ №2677928. Способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы]. Частично способ [3] основывался на опубликованных предложениях, в частности, в статье [4. Ю.М. Иванов, В.Г. Семенов. Корректирующие матрицы - путь к повышению точности трехкомпонентных магнитометров // Измерительная техника. 2013. №6. С. 46-51].

Появилось также интересное предложение по обращению модульных (квантовых) магнитометров в трехкомпонентные, которое обещает более высокие метрологические характеристики в сравнении с традиционными (феррозондовыми) магнитометрами [5. А.К. Вершовский и др., Быстродействующий трехкомпонентный магнитометр-вариометр на основе цезиевого датчика // Журнал технической физики. 2006. т. 76. вып. 1. С. 115-120].

Наконец, следует добавить, что закономерности поведения погрешностей способов [1] и [3] изучались в специальной статье [6. Р.В. Гетъман и др., Анализ погрешностей измерения магнитного момента кораблей в дальнем поле // Морской вестник. 2018. №1(65). С. 102-103].

Способ [3] принят в качестве ближайшего аналога заявляемого способа по совокупности существенных признаков.

Известный способ [3] включает измерения разности МИ тела в дальней зоне трех-компонентными измерительным и компенсационным магнитометрами, или датчиками дифференциального магнитометра (ДМ), разделение тела на продольные участки, а также измерения расстояний между датчиками ДМ и участками тела.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа [3] является то, что он изначально рассчитан на распределение намагниченности по длине тела, близкое к однородному.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерений ММ тела удлиненной формы двухточечным магнитометрическим методом.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в том, что он снижает погрешность измерений ММ тела также и с неоднородным распределением намагниченности по его длине.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы путем измерения разности магнитной индукции тела в дальней зоне с помощью трехкомпонентных измерительного и компенсационного магнитометров, разделения тела на продольные участки, а также измерения всех компонент каждой пары разностей координатных матриц между каждым магнитометром и каждым участком отличается тем, что дополнительно определяют ферромагнитную массу каждого участка, с помощью которой измеряют магнитный момент тела по формуле

где М - магнитный момент тела, Ам²;

μ₀=4π×10^-7 - магнитная постоянная, Гн/м;

m - ферромагнитная масса тела, кг;

i=1,2…р - индекс участка;

m_i - ферромагнитная масса i-го участка, кг;

- разность координатных матриц i-го участка, м^-3;

∇∇ - символ градиента градиента, м^-2;

R_iu, R_iк - расстояния между центром i-го участка и соответственно измерительным/компенсационным датчиками магнитометра;

ΔB_uк - разность магнитных индукций, Тл, которую измеряют с помощью квантовых измерительного и компенсационного магнитометров.

На фиг. 1 изображена схема измерения ММ тела удлиненной формы, где 1 - тело удлиненной формы; 2 - центр тела; 3 - измерительный датчик (ИД), а 4 - компенсационный датчик (КД) трехкомпонентного дифференциального магнитометра (ДМ); 5-9 - центры i-х участков, на которые разделено тело.

В заявляемом способе ММ измеряют по уравнению измерения (1) а в известном способе - по другому уравнению:

где р - число участков разделения тела, остальные пояснения как в (1).

Дополнительно к (1) расшифруем градиент градиента, например, измерительного датчика ДМ, находящегося на расстоянии R_2u от центра тела

где n - единичное направление радиус-вектора между центром 2 и датчиком 3;

nn - матрица 3×3, образованная умножением столбца и на строку n;

I- единичная 3×3 матрица.

Заявляемый способ проверен в сравнении с известным с помощью компьютерного моделирования (КМ) измерений MM (10⁵ Ам²) тела длиной L=121 м при резко неравномерном распределении ММ по длине тела с разделением тела на 11 участков. Отношения ферромагнитных масс участков m_i к массе тела m, при которых проводилось КМ, показаны в таблице 1.

Для сравнительных оценок погрешностей достаточно ограничиться методическими и инструментальными составляющими, которые определяются с помощью КМ независимо друг от друга, но вместе образуют результирующие погрешности измерения ММ.

КМ - анализ инструментальных составляющих погрешностей проведен для трех классов (точности) аппаратуры:

кл.2 - традиционная для способа [1] аппаратура на трехкомпонентных феррозондовых магнитометрах;

кл.1 - аппаратура для способа [3] также на трехкомпонентных феррозондовьгх магнитометрах, усовершенствованная по методике [4];

кл.0 - аппаратура для заявляемого способа на трехкомпонентных квантовых магнитометрах по аналогии с магнитометром, предложенным в работе [5].

Упомянутые составляющие и результирующие погрешности КМ-измерений приведены в таблице 2 в функции отношения расстояния R_2и между центром тела 2 и датчиком 3 к длине тела L. Расстояние между измерительным 3 и компенсационным 4 датчиками выбрано равным 50 м.

Как видно из таблицы 2, с повышением относительного расстояния методические погрешности снижаются, а инструментальные нарастают лавинообразно. Соответственно результирующие погрешности при некоторых расстояниях минимизируются, что отмечено в таблице полужирным шрифтом.

Итак, на относительном расстоянии 1.0 заявляемый способ снижает погрешность измерений ММ известным способом почти в 2 раза.

Наконец, можно показать, что если распределение намагниченности по длине тела равномерно m_i=α=const, то

и уравнение (1) обращается в (2), а если все тело представляет собой один участок, то уравнение (1) обращается в уравнение измерения ММ по способу [1]

То есть, уравнение измерений (1) является обобщением соответствующих уравнений измерений известных способов [1] и [3].

Изобретение относится к области измерений магнитного момента (ММ) тела удлиненной формы. Использование: для контроля параметров удлиненных образцов магнитных материалов и контроля показателей магнитной защиты кораблей. Сущность: измеряют разность магнитной индукции тела в его дальней зоне с помощью двух квантовых трехкомпонентных магнитометров. Тело делят на продольные участки и измеряют расстояния между каждым участком и магнитометром. При этом предварительно оценивают ферромагнитные массы участков тела. Технический результат: снижение погрешности измерений магнитного момента неоднородно намагниченного тела. 1 ил.

Способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы путем измерения разности магнитной индукции тела в дальней зоне с помощью трехкомпонентных измерительного и компенсационного магнитометров, разделения тела на продольные участки, а также измерения всех компонент каждой пары разностей координатных матриц между каждым магнитометром и каждым участком, отличающийся тем, что дополнительно определяют ферромагнитную массу каждого участка, с помощью которой измеряют магнитный момент тела по формуле

,

где M - магнитный момент тела, Ам²;

μ₀=4π×10^-7 - магнитная постоянная, Гн/м;

m - ферромагнитная масса тела, кг;

i = 1,2…p - индекс участка;

m_i - ферромагнитная масса i-го участка, кг;

- разность координатных матриц i-го участка, м^-3;

∇∇ - символ градиента градиента, м^-2;

R_iu, R_iк - расстояния между центром i-го участка и соответственно измерительным/компенсационным датчиками магнитометра;

ΔВ_uк - разность магнитных индукций, Тл, которую измеряют с помощью квантовых измерительного и компенсационного магнитометров.