СПОСОБ БИФАКТОРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФЕРРОЗОНДОВ И УСТРОЙСТВО МОДУЛЯТОРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различной магнитометрической аппаратуре для измерения параметров магнитного поля, например, при проведении геофизических и космических исследований, при разведке полезных ископаемых, а также при поиске металлических и/или металлосодержащих заглубленных объектов в виде подземных коммуникаций и сооружений (кабельных электролиний, трубопроводов, линий связи) или отдельных скрытых объектов (металлолома, мин, снарядов и т.п.).

Для решения указанных задач широкое применение нашли ферроиндукционные преобразователи, которые различаются способом возбуждения их чувствительного элемента в виде ферромагнитного сердечника. Непосредственным параметром такого ферромагнитного сердечника, на который воздействует поле возбуждения, является его магнитная проницаемость.

Известны три основных базовых способа возбуждения сердечника ферроиндукционного преобразователя: 1 - механическое; 2 - тепловое; 3 - магнитное (Афанасьев Ю.В. Средства измерений параметров магнитного поля. - Л.: Энергия. 1979, с. 195, рис. 9-1).

На практике наиболее предпочтительным считается ферроиндукционный преобразователь с магнитным способом возбуждения, который принято называть феррозондом. Феррозонды состоят из двух основных функциональных узлов - 1) магнитного модулятора потока внешнего измеряемого магнитного поля; 2) регистратора ЭДС, индуцированной этим процессом.

Известен способ возбуждения феррозондов, заключающийся в том, что для изменения магнитного состояния ферромагнитного сердечника его модулятора на него воздействуют переменным магнитным полем, источником которого является переменный электрический ток многовитковой катушки возбуждения, охватывающей часть ферромагнитного сердечника, при этом переменный ток в многовитковой катушке возбуждения создают путем непосредственной передачи переменного электрического потенциала на один из концов ее электрической обмотки (Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергия, 1978, с. 6, рис. 1-1а). Данный способ является способом магнитного возбуждения феррозондов с использованием параллельных полей (измеряемое постоянное магнитное поле и вспомогательное переменное магнитное поле). Реализация данного способа основана на изменении под воздействием измеряемого магнитного поля магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, возбуждаемого переменным магнитным полем постоянной напряженности. Указанные изменения магнитной проницаемости, являющиеся проявлением магнитомодуляционного эффекта, отражаются в наведенной в измерительной обмотке феррозонда ЭДС, которая и является выходным информационным сигналом.

Модулятор для реализации данного способа содержит ферромагнитный сердечник конечной длины, излучающую многовитковую катушку, охватывающую часть длины ферромагнитного сердечника, и измерительную обмотку (Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергия, 1978, с. 6, рис. 1-1а).

Недостаток известного способа и устройства модулятора заключается в том, что они не обеспечивают высокую чувствительность и точность измерения из-за низкой эффективности магнитомодуляционного эффекта, обусловленного использованием для модулирующего воздействия на измеряемое магнитное поле только вспомогательного переменного магнитного поля.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ возбуждения феррозондов и устройство модулятора для его реализации (Патент RU №2768528, G01V 3/00, 24.03.2022), принятый за прототип.

Известный способ возбуждения феррозондов заключается в том, что на стержневой магнитопровод его модулятора одновременно воздействуют возбуждающим переменным полем и подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем, которыми осуществляют модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, при этом в качестве источника подмагничивающего продольного постоянного магнитного поля используют постоянный магнит, а в качестве возбуждающего переменного поля используют поперечное переменное электрическое поле, которым воздействуют на постоянный магнит перпендикулярно его продольной оси таким образом, чтобы он стал источником эволюционирующего магнитоэлектрического эффекта, посредством которого во всем объеме стержневого магнитопровода возбуждают модулирующий физический процесс в виде стоячей магнитоэлектрической волны, создающей соответствующую магнитную модуляционную структуру во всем объеме стержневого магнитопровода, причем в качестве материала стержневого магнитопровода используют неэлектропроводящий ферромагнетик.

Устройство модулятора для реализации данного способа содержит стержневой магнитопровода конечной длины, выполненный в виде двух соосных идентичных ферромагнитных стержневых полуэлементов, состыкованных между собой соосным дисковым постоянным магнитом соответствующей формы, излучающую С-антенну, состоящую из двух отдельных электродов в виде разрезных тонкостенных полуцилиндров, закрепленных симметрично на внешней поверхности тонкостенной диэлектрической цилиндрической втулки, охватывающей центральную часть длины стержневого магнитопровода, при этом сама излучающая С-антенна размещена коаксиально внутри диэлектрической цилиндрической втулки, на наружной поверхности которой расположен заземленный электрод в виде разрезного тонкостенного металлического цилиндра.

Недостатком известного способа возбуждения и устройства модулятора для его осуществления является относительно невысокая чувствительность и точность измерений в связи с использованием только магнитоэлектрического эффекта, а также низкая помехозащищенность, что сужает области их применения. Кроме того, данный способ предполагает применение в качестве материала стержневой ферромагнитной системы диэлектрические ферромагнетики, в которых существенно проявляется магнитоэлектрический эффект. Для наиболее широко распространенного класса токопроводящих ферро- и ферримагнетиков, в которых практически не наблюдается магнитоэлектрический эффект, известный способ возбуждения и устройство модулятора для его осуществления в принципе нереализуемы.

Задачами изобретения является повышение точности измерения, увеличение чувствительности и помехоустойчивости.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе возбуждения феррозонда, заключающимся в том, что на стержневой магнитопровод его модулятора одновременно воздействуют возбуждающим переменным полем и подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем, которыми осуществляют модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, при этом в качестве источника подмагничивающего продольного постоянного магнитного поля используют постоянный магнит, согласно изобретению, в качестве материала стержневого магнитопровода модулятора используют электропроводящий магнитный материал, а в качестве возбуждающего переменного поля используют продольное переменное магнитное поле, которым на частоте электромеханического резонанса в материале стержневого магнитопровода одновременно инициируют два физических процесса - магнитомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода и возбуждение в приповерхностном слое стержневого магнитопровода вихревых токов, при этом за счет магнитомодуляционного преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода осуществляют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, а за счет электродинамического взаимодействия вихревых токов с подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем возбуждают в структуре материала стержневого магнитопровода акустическое поле в виде радиальных продольных волн, которым осуществляют дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, посредством которого реализуют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле. При этом продольное переменное магнитное поле в стержневом магнитопроводе возбуждают посредством конструктивного последовательного резонансного индуктивно-емкостного контура путем индукции соответствующего электрического потенциала на индуктивном компоненте этого контура переменным электрическим потенциалом, подаваемого через емкостной компонент этого контура от генератора относительно заземления.

В устройстве модулятора для возбуждения феррозондов, содержащем стержневой магнитопровод конечной длины, выполненный в виде идентичных соосных первого и второго магнитных сердечников, состыкованных между собой соосным дискообразным постоянным магнитом соответствующей формы, и излучающий дипольный элемент, согласно изобретению, излучающий дипольный элемент выполнен в виде проходной катушки, электрическая обмотка которой имеет первую и вторую секции, расположенные соответственно на первом и втором диэлектрических каркасах, пространственно симметрично разнесенных относительно постоянного магнита и имеющих возможность осевого перемещения, дополнительно содержит первый и второй металлические электроды в виде тонкостенных трубок с длиной, соизмеримой с длиной диэлектрических каркасов, и с прорезью вдоль образующей, установленные коаксиально на внутренней поверхности сквозных отверстий соответственно первого и второго диэлектрических каркасов, первый металлический электрод, расположенный между первой секцией обмотки проходной катушки и первым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочным слоем первой секции обмотки проходной катушки первый конструктивный конденсатор связи, второй металлический электрод, расположенный между второй секцией обмотки проходной катушки и вторым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочной слоем второй секции обмотки проходной катушки второй конструктивный конденсатор связи. При этом продольное переменное напряжение, формирующее ток возбуждения переменного магнитного поля, подается от генератора на первую и вторую секции обмотки проходной катушки соответственно через первый и второй конструктивные конденсаторы связи относительно точки заземления. Кроме того, продольное переменное магнитное поле создается в стержневом магнитопроводе посредством двухсекционной обмотки проходной катушки, каждая секция которой при работе устройства модулятора в составе феррозонда дополнительно выполняет измерительные функции. В качестве входов и сигнальных выходов секций катушки возбуждения относительно точки заземления используются соответственно одноименные выводы их электрических обмоток (их "начало"), а их "концы" имеют соответствующее заземление в виде общей точки соединения. Необходимый уровень симметрии в пространственном расположении проходных катушек и балансировка минимального уровня нулевого сигнала обеспечивается соответствующим осевым перемещением секций проходных катушек относительно постоянного магнита. При работе устройства модулятора в составе феррозонда, функционирующего в режиме полемера, секции обмотки проходной катушки имеют "встречное" пространственное расположение ("начало"-"начало"), а в случае функционирования феррозонда в режиме градиентомера секции обмотки проходной катушки должны иметь "согласное" пространственное расположение ("начало"-"конец").

Заявленные особенности конструктивного исполнения устройства модулятора обеспечивают необходимый уровень эффективности его работы и способствуют достижению поставленной задачи в целом.

Предлагаемый способ бифакторного возбуждения феррозондов, особенности физических эффектов, на которых он основывается, а также устройство модулятора для его реализации поясняется чертежами, где

на фиг. 1 - схема реализации заявляемого способа;

на фиг. 2 - модели процесса распространения радиальных продольных волн (L-волн) по сечению цилиндра;

на фиг. 3 - устройство модулятора феррозонда, реализующее бифакторный способ возбуждения.

Предлагаемый способ бифакторного возбуждения феррозондов осуществляется следующим образом.

Постоянным магнитом 2, расположенным в центре между элементами 1' и 1'' стержневого магнитопровода, создают подмагничивающее продольное постоянное магнитное поле H_СМ (фиг. 1). Возбуждают продольное переменное магнитное поле в стержневом магнитопроводе посредством конструктивного последовательного резонансного индуктивно-емкостного контура путем индукции соответствующего электрического потенциала на индуктивном компоненте этого контура. Затем этим продольным переменным магнитным полем Н₁ воздействуют на стержневой магнитопровод, выполненный из электропроводящего магнитного материала (ферро- или ферримагнетика), инициируя тем самым процесс магнитомодуляционного преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, осуществляя тем самым основное модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле Н₀. Этим же продольным переменным магнитным полем Н₁ в приповерхностном слое электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода в плоскости его поперченного сечения дополнительно возбуждают вихревые токи i_B. При этом реализуют электродинамическое взаимодействие вихревых токов i_B с подмагничивающим постоянным магнитным полем Н_СМ, инициируя тем самым электромагнитно-акустический процесс (ЭМА-процесс), проявляющийся в возбуждении дополнительного акустического поля в структуре материала стержневого магнитопровода в виде радиальных продольных волн L, осуществляющих дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, осуществляя тем самым дополнительное модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле H₀.

Для более полного обоснования сути предлагаемого способа бифакторного возбуждения феррозондов рассмотрим особенности физических эффектов, на которых он основывается.

Известно, что в соответствии с законом электромагнитной индукции для ЭДС, индуцированной в измерительной обмотке феррозонда, справедливо уравнение:

где - единичный вектор, совпадающий с плоскостью витков обмотки; w - число витков измерительной обмотки; S_i - площадь поперечного сечения сердечника в направлении - тензор относительной магнитной проницаемости материала сердечника; В₀ и Н₀ - векторы индукции и напряженности измеряемого магнитного поля.

Если рассматривать магнитную проницаемость μ в качестве частного параметра магнитного электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода, на который оказывается несколько воздействий в виде физических полей, то для рассматриваемого случая основным воздействием можно считать магнитное поле возбуждения, инициирующее проявление магнитомодуляционного преобразования (ММ-процесса) в виде модулирования магнитной проницаемости, а дополнительным воздействием - акустическое поле, являющееся проявлением ЭМА-процесс и также модулирующее магнитную проницаемость.

ММ - процесс заключается в изменении магнитного состояния магнитного электропроводящего материала при одновременном намагничивании в переменном и измеряемом постоянном магнитных полях. Модуляция таким суммарным магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств магнитной цепи, а происходящие в ней процессы всегда связаны с взаимодействием минимум двух магнитных полей - внешнего измеряемого и переменного поля возбуждения, создаваемого, например, за счет протекания электрического тока в катушке возбуждения.

В отношении режима преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода (μ-преобразования) за счет ММ-процесса можно констатировать, что он по своей сути фактически является режимом функционирования феррозонда с продольным возбуждением. Поэтому в соответствии с существующей параметрической теорией феррозондов с продольным возбуждением, где используется разложение функции В(Н_Σ) при H_Σ=H₂+H₀, в ряд Тейлора по малому воздействию можем записать:

где μ₀=4π×10^-7 Гн/м - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума); H₂(t)=H_1m×sinωt+Н_СМ - напряженность возбуждающего магнитного поля, H_1m - амплитуда переменного магнитного поля H₁, ω - циклическая частота; H₀(t) - напряженность измеряемого постоянного магнитного поля; μ*[H₂{t)] - функция, отражающая закон изменения магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода под воздействием возбуждающего магнитного поля, которая при заданной величине поля возбуждающего магнитного поля может рассматриваться, как функция времени

Для рассматриваемого случая ЭМА-процесс возбуждения ультразвуковых колебаний основывается на эффекте электродинамического взаимодействия, при котором в токопроводящем материале стержневого магнитопровода при воздействии переменного магнитного поля Н₁ возбуждаются вихревые токи i_B. В свою очередь эти наведенные вихревые токи, взаимодействуя с подмагничивающим постоянным магнитным полем H_СМ постоянного магнита 2, вызывают соответствующие колебания кристаллической решетки материала стержневого магнитопровода, т.е. появляются механические напряжения, которые приводят к возникновению упругих акустических колебаний в виде радиальных продольных волн (L-волн). В этом случае само явление электромагнитной генерации звука в электропроводящих средах состоит в том, что переменное электромагнитное поле источника возбуждения взаимодействует с электронной системой (электронами) электропроводящей среды, а возмущение электронов таким внешним электромагнитным воздействием, в свою очередь, приводит к движению упругой среды за счет взаимодействия электронов с решеткой и распространению возмущения в виде звуковых волн в глубь среды.

Фактически возбуждение подобных радиальных продольных волн (L-волн) осуществляется за счет электродинамического механизма, а их распространение достигаются благодаря взаимной ориентации поля подмагничивания Н_СМ, направленного вдоль продольной оси стержневого магнитопровода, и вихревых токов i_B, текущих по замкнутым контурам внешней поверхности магнитного электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода модулятора феррозонда.

Преимущественное возбуждение одного типа волн определяется взаимной ориентацией поля подмагничивания с индукцией В_СМ и вихревых токов i_B, текущих по периметру элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода модулятора феррозонда. Взаимодействием вихревых токов с индукцией поля подмагничивания В_СМ, приводящим к появлению F_А (сила Ампера) обусловлено возникновением акустических колебаний при электродинамическом механизме:

где i_e - вихревой ток участка длиной

В этом случае упругие силы возникают в приповерхностном слое элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода, толщина которого определяется глубиной скин-слоя δ:

где μ - относительная магнитная проницаемость; σ - электропроводность; ω - круговая частота колебаний.

При возбуждении упругими силами продольных плоских монохроматических акустических волн уравнение вынужденных акустических колебаний, распространяющихся от границы раздела, может быть записано в виде:

где Н_СМ - векторная величина напряженности подмагничивающего постоянного магнитного поля (магнитное поле постоянного магнита); j - векторная величина плотности переменного тока в скин-слое; ζ - вектор смещения; ν - скорость акустической волны в материале стержневого магнитопровода; ρ - удельная плотность материала ферритового стрежня; с - скорость света.

Полагая, что переменное магнитное поле (поле возбуждения модулятора) изменяется по закону exp[i×(ωt-k×z)], для плотности переменного тока в скин-слое можем записать:

где H_1m - амплитуда переменного магнитного поля; σ - проводимость металла; ω - циклическая частота.

На расстояниях, превышающих глубину скин-слоя, и с учетом (6) решение уравнения (5) примет вид:

где β=g²×δ²/2, q=2π/λ, λ - длина акустической волны.

Модели процесса распространения L-волн по сечению цилиндра на плоскости представлены на фиг. 2.

Для рассматриваемого варианта ЭМА-преобразования характерно одновременное излучение упругих волн из каждой точки на поверхности элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода модулятора феррозонда, расположенной соответственно под зонной циркуляции вихревых токов i_B. Таким образом, волны, распространяются во всех радиальных направлениях в поперечном сечении стержневого магнитопровода.

В магнитоупорядоченных средах распространение акустических волн связано с трансформацией волн на доменных границах и возбуждением связанных магнитоупругих колебаний q(k_n,t), которые сопровождаются колебаниями намагниченности:

где λ - коэффициент, зависящий от величины магнитоупругого тензора, волнового вектора k_n и разности частот спиновой и упругой волн.

С учетом (8) и исходя из того, что магнитная восприимчивость χ=J/H, a μ=1+χ, можно констатировать следующее:

Поэтому, аналогично (2) и в соответствии с (8), (9) для режима μ-преобразования за счет ЭМА-эффекта будет справедлива следующая запись:

где ζ(t) - функция смещения структурных компонентов материала элементов 1' и 1'' стержневой ферромагнитной системы; - функция, отражающая закон изменения магнитной проницаемости материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода под воздействием возбуждающего акустического поля, которая при заданной амплитуде поля возбуждения может рассматриваться как функция времени

Для рассматриваемого случая, учитывая бифакторную природу возникновения магнитной индукции в материале ферромагнитного сердечника, можем записать:

Исходя из (11), и с учетом реализации совместного модулирующего воздействия акустического и переменного магнитного полей на магнитную проницаемость материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода можно констатировать:

Следует отметить, что для рассматриваемых физических процессов под модуляцией (modulation) понимается изменение состояния параметра магнитной проницаемости материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода при воздействии различных физических полей.

Тогда, в соответствии со сделанными замечаниями можем записать:

где - глубина соответственно акустической и магнитной модуляции; μ_Н - номинальное значение магнитной проницаемости материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода; г|эма и η_ММ - коэффициенты соответственно ЭМА-преобразования и ММ-преобразований; ω_р - циклическая частота возбуждения процессов преобразования частоте электромеханического резонансов.

Из выражений (12) и (13) следует, что измеряемое постоянное магнитное поле H₀(t), направленное аксиально к стержневому магнитопроводу, за счет параметрической модуляции осциллирующей магнитной проницаемостью омагнитного материала элементов 1' и 1'' трансформируется в переменное магнитного поле с соответствующей индукцией в материале для каждого элемента 1' и 1'' стержневого магнитопровода:

В полученном аналитическом выражении (14) видна четкая реализация принципа суперпозиции в виде аддитивного модулирующего воздействия от проявления двух физических процессов: основного ММ-процесса и дополнительного ЭМА-процесса, инициируемых соответствующими активизирующими физическими полями, что, в свою очередь, говорит о повышении эффективности μ-преобразования в каждом из магнитных электропроводящих элементов 1' и 1''.

Устройство модулятора для возбуждения феррозондов (фиг. 3) состоит из стержневого магнитопровода, содержащего два идентичных магнитных электропроводящих элемента 1' и 1'', соосно состыкованных между собой цилиндрическим постоянным магнитом 2 в виде диска, и проходной катушки, имеющей первую 3' и вторую 3'' секции обмотки, которые расположены соответственно на диэлектрических каркасах 5' и 5''. Первая 3' и вторая 3'' секции обмотки, пространственно разнесенные симметрично относительно постоянного магнита 2, имеют возможность осевого перемещения. На электрических каркасах 5' и 5'' на внутренней поверхности своих сквозных отверстий коаксиально установлены соответственно возбуждающие первый 6' и второй 6'' металлические электроды в виде тонкостенных трубок с прорезью вдоль образующей и длиной, соизмеримой с длиной диэлектрических каркасов 5' и 5''. Возбуждающий первый металлический электрод 6', расположенный между первой секцией 3' обмотки проходной катушки и первым электропроводящим магнитным элементом V, образует совместно с нижним слоем проволочной обмотки 4' первой секции обмотки проходной катушки первый конструктивный конденсатор связи. Возбуждающий второй металлический электрод 6'', расположенный между второй секцией 3'' обмотки проходной катушки и вторым магнитным электропроводящим элементом 1'', образует совместно с нижним слоем проволочной обмотки 4'' второй секции обмотки проходной катушки второй конструктивный конденсатор связи.

Особенность конструктивного исполнения возбуждающих первого металлического электрода 6' и второго металлического электрода 6'' препятствует индуцированию в нем вихревых токов Фуко, наличие которых могло бы привести к возникновению паразитного вторичного переменного магнитного поля, нарушающего нормальный режим функционирования феррозонда в целом.

Устройство модулятора для возбуждения феррозондов работает следующим образом.

При подаче от генератора высокой частоты электрического потенциала ϕ_Э относительно электрического потенциала точки заземления фо на электроды 6' и 6'' на нижнем проволочном слое первой секции 4' обмотки проходной катушки и на нижнем проволочном слое второй секции 4'' обмотки проходной катушки будут индуцироваться соответствующие электрические потенциалы ϕ'_Э и ϕ''_Э. При этом, вследствие симметричного пространственного расположения проходных катушек и идентичности их конструктивных параметров, можно считать, что ϕ'_Э=ϕ''_Э=ϕ_Э. При этом необходимый уровень симметрии в пространственном расположении проходных катушек и балансировка минимального уровня нулевого сигнала обеспечивается соответствующим осевым перемещением секций проходных катушек относительно постоянного магнита 2.

Тогда в режиме последовательного электрического резонанса токи через соответствующие секции 3' и 3'' обмотки катушки определятся выражением:

где ϕ₀=0; R=R₁=R₂, R₁ и R₂ - активные сопротивления соответственно секции 3' и 3'' обмотки катушки; U_0m - амплитуда электрического напряжения от генератора высокой частоты.

В этом случае выражение для напряженности переменного магнитного поля в материале стержневого магнитопровода модулятора, создаваемого токами через соответствующие секции 3' и 3'' обмотки проходной катушки, можно формализовать в следующем виде:

где H_1m - амплитуда напряженности магнитного поля в материале ферромагнитных электропроводящих элементов 1' и 1'', соответственно создаваемая токами возбуждения секции 3' и 3'' обмотки катушки.

Переменное магнитное поле H₁(t) инициирует проявление основного физического процесса (ММ-процесса) в виде модулирования магнитной проницаемости. Кроме того, переменное магнитное поле H₁(t) в приповерхностных слоях токопроводящих элементов 1' и 1'' возбуждает вихревые токи, которые вступают с постоянным полем Н_СМ магнита 2 в электродинамическое взаимодействие, в результате чего инициируется дополнительный физический процесс (ЭМА-процесс) в виде генерации упругих акустических колебаний. Возникшая непрерывная генерация упругих акустических колебаний в свою очередь оказывает дополнительное модулирующее воздействие на магнитную проницаемость. Подобное бифакторное воздействие на μ-преобразование существенно повышает эффективность работы устройства модулятора и чувствительность феррозонда в целом.

Предлагаемый вариант устройства модулятора является по существу параметрическим модулятором, где модуляция измеряемого постоянного магнитного поля осуществляется за счет бифакторного полевого воздействия на частный параметр электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода: 1 - воздействие переменного магнитного поля; 2 - воздействие акустического поля.

Для работы модулятора при функционировании феррозонда в режиме полемера обмотки секции катушки возбуждения имеют ''встречное'' пространственное расположение ("начало"-"начало"), а для функционирования феррозонда в режиме градиентомера обмотки секции катушки возбуждения должны иметь "согласное" пространственное расположение ("начало"-"конец").

При реализации предлагаемого способа бифакторного возбуждения феррозонда посредством предлагаемого устройства модулятора процесс функционирования феррозонда в целом будет заключаться в следующем.

При реализации бифакторного возбуждения в процессе функционировании феррозонда вариации измеряемого магнитного поля, вызванные уже модулирующими процессами магнитной проницаемости, будут воздействовать на секции 3' и 3'' обмотки катушки, индуцируя в них соответствующие ЭДС:

Подставляя (14) в (17), для каждой из секции 3' и 3'' обмотки катушки, дополнительно выполняющих измерительные функции, для режима функционирования феррозонда в режиме градиентомера получим:

1. Для первой секции 3' обмотки проходной катушки -

Тогда, на выходном выводе будем иметь:

2. Для второй секции 3'' обмотки проходной катушки -

Тогда, на выходном выводе будем иметь:

В случае пространственной однородности измеряемого постоянного магнитного поля H₀ для разностного напряжения между клеммами "b" и "d" (фиг. 3) при условии, что s₁=s₂=s и w₁=w₂=w, с учетом (19) и (21) можем записать:

Если, измеряемое постоянное поле в пространстве неоднородно, т.е. на секции 3' и 3'' обмотки катушки воздействует магнитное поле разной напряженностью соответственно то разностное напряжение между клеммами "b" и "d" будет определяться выражением:

Аналогичным образом для режима функционирования феррозонда в режиме полемера получим:

1. Для первой секции 3' обмотки проходной катушки -

2. Для второй секции 3'' обмотки проходной катушки -

Для разностного напряжения между клеммами "b" и "d" при условии, что s₁=s₂=s и w₁=w₂=w с учетом (24) и (25) можем записать:

Особенностью феррозонда на основе предлагаемого устройства модулятора, реализующего предлагаемый способ бифакторного возбуждения, является применение в качестве сигнальных входов и выходов и (относительно точки заземления) соответственно одноименных выводов первой 3' и второй 3'' секций обмотки проходной катушки (их "начало"), а "концы" "с" и "e" секций обмотки проходной катушки имеют общую точку заземления. Эти две конструктивные особенности являются обязательными условиями для нормального функционирования рассматриваемого варианта модулятора в составе феррозонда.

При этом секции 3' и 3'' обмотки проходной катушки в совокупности с соответствующими конструктивными конденсаторами связи образуют емкостно-индуктивный измерительный мост с разностным сигналом его измерительной диагонали:

Такое схемотехническое решение минимизирует паразитное взаимовлияние секций 3' и 3'' обмотки проходной катушки; обеспечивает максимальную компенсацию синфазных составляющих помехи и последствий температурного дрейфа.

Проведенный анализ возникающих физических эффектов и приведенные аналитические выражения доказывают работоспособность и эффективность работы феррозондов при реализации в них предложенного способа бифакторного возбуждения и модулятора для его реализации.

Обобщая, можно констатировать, что по сравнению с известным вариантом феррозонда с магнитным возбуждением предлагаемый способ бифакторного возбуждения обладает следующими преимуществами:

1 - повышенные точности и чувствительность преобразования, которые обеспечиваются путем использования набора свойств структурных компонентов материала токопроводящих ферритовых элементов 1' и 1'' модулятора феррозонда, проявляемых в виде различных физических эффектов при резонансном воздействии соответствующими физическими полями.

2 - использование конструктивных конденсаторов связи в качестве плечевых элементов емкостно-индуктивного измерительного моста позволяет реализовать режим последовательного электрического резонанса, что существенно повышает чувствительность феррозонда.

3 - повышенная помехозащищенность, за счет использования первой 3' и второй 3'' секций обмотки проходной катушки в качестве плечевых элементов емкостно-индуктивного измерительного моста с разностным сигналом его измерительной диагонали (компенсация синфазных составляющих помехи и последствий температурного дрейфа).

4 - применение в качестве материала стержневой ферромагнитной системы модулятора широко распространенного класса токопроводящих магнитных материалов, как ферро-, так и и ферримагнетиков.

Наличие перечисленных выше преимуществ предлагаемого способа бифакторного возбуждения и устройства модулятора для его реализации по сравнению с известными техническими решениями говорит о реальных перспективах его самого широкого промышленного применения для решения различных задач контроля, диагностики и точного позиционирования.

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике. Способ бифакторного возбуждения феррозондов содержит этапы, на которых в материале стержневого магнитопровода одновременно инициируют два физических процесса - магнитомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода и возбуждение в приповерхностном слое стержневого магнитопровода вихревых токов, тем самым осуществляют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, а также возбуждают в структуре материала стержневого магнитопровода акустическое поле в виде радиальных продольных волн, которым осуществляют дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, посредством которого реализуют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле. Технический результат – повышение точности измерения, увеличение чувствительности и помехоустойчивости. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ бифакторного возбуждения феррозондов, заключающийся в том, что на стержневой магнитопровод его модулятора одновременно воздействуют возбуждающим переменным полем и подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем, которыми осуществляют модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, при этом в качестве источника подмагничивающего продольного постоянного магнитного поля используют постоянный магнит, отличающийся тем, что в качестве материала стержневого магнитопровода модулятора используют электропроводящий магнитный материал, а в качестве возбуждающего переменного поля используют продольное переменное магнитное поле, которым на частоте электромеханического резонанса в материале стержневого магнитопровода одновременно инициируют два физических процесса – магнитомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода и возбуждение в приповерхностном слое стержневого магнитопровода вихревых токов, при этом за счет магнитомодуляционного преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода осуществляют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, а за счет электродинамического взаимодействия вихревых токов с подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем возбуждают в структуре материала стержневого магнитопровода акустическое поле в виде радиальных продольных волн, которым осуществляют дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, посредством которого реализуют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле.

2. Способ бифакторного возбуждения феррозондов по п. 1, отличающийся тем, что продольное переменное магнитное поле в стержневом магнитопроводе возбуждают посредством последовательного резонансного индуктивно-емкостного контура путем индукции соответствующего электрического потенциала на индуктивном компоненте этого контура переменным электрическим потенциалом, подаваемого через емкостной компонент этого контура от генератора относительно заземления.

3. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов, содержащее стержневой магнитопровод конечной длины, выполненный в виде идентичных соосных первого и второго магнитных сердечников, состыкованных между собой соосным дискообразным постоянным магнитом соответствующей формы, и излучающий дипольный элемент, отличающееся тем, что излучающий дипольный элемент выполнен в виде проходной катушки, электрическая обмотка которой имеет первую и вторую секции, расположенные соответственно на первом и втором диэлектрических каркасах, пространственно симметрично разнесенных относительно постоянного магнита и имеющих возможность осевого перемещения, дополнительно содержит первый и второй металлические электроды в виде тонкостенных трубок с длиной, соизмеримой с длиной диэлектрических каркасов, и с прорезью вдоль образующей, установленные коаксиально на внутренней поверхности сквозных отверстий соответственно первого и второго диэлектрических каркасов, первый металлический электрод, расположенный между первой секцией обмотки проходной катушки и первым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочным слоем первой секции обмотки проходной катушки первый конструктивный конденсатор связи, второй металлический электрод, расположенный между второй секцией обмотки проходной катушки и вторым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочной слоем второй секции обмотки проходной катушки второй конструктивный конденсатор связи.

4. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что переменное напряжение на первую и вторую секции обмотки проходной катушки подается соответственно через первый и второй конструктивные конденсаторы связи от генератора относительно точки заземления.

5. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что продольное переменное магнитное поле создается в стержневом магнитопроводе посредством двухсекционной обмотки проходной катушки, каждая секция которой при работе устройства модулятора в составе феррозонда дополнительно выполняет измерительные функции.

6. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что в качестве входов и сигнальных выходов секций катушки возбуждения относительно точки заземления используются соответственно одноименные выводы их электрических обмоток (их «начало»), а их «концы» имеют соответствующее заземление в виде общей точки соединения.

7. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что необходимый уровень симметрии в пространственном расположении проходных катушек и балансировка минимального уровня нулевого сигнала обеспечивается соответствующим осевым перемещением секций проходных катушек относительно постоянного магнита.

8. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что при работе устройства модулятора в составе феррозонда, функционирующего в режиме полемера, секции обмотки проходной катушки имеют «встречное» пространственное расположение («начало»-«начало»), а в случае функционирования феррозонда в режиме градиентомера секции обмотки проходной катушки должны иметь «согласное» пространственное расположение («начало»-«конец»).