Способ измерения магнитной индукции Советский патент 1990 года по МПК G01R33/02 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке магнитометров и градиентометров, в метрологических исследованиях, а также для изучения свойств ферромагнитных материалов.

Целью изобретения является повыше-1 ние точности измерений магнитной индукции.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 - схема установки экспериментальной проверки предлагаемого способа.

Основой предлагаемого способа является осуществление широкой внутренней стабилизации процессов, происходящих ч ферромагнитном сердечнике под действием поля возбуждения, путем создания условий, при которых собственные частоты колебаний различных типов совпадают с высшими четными гармониками частоты перемагничива- ния сердечника.

Устройство, реализующее способ (фиг. 1), содержит феррозонд, состоящий из ферромагнитного сердечника 1 в виде плоского стержня и двух продольных обмоток - возбуждения 2 и измерительной 3, генератор 4 возбуждения, присоединенный к обмотке 2, селективный вольтметр 5, подключенный к обмотке 3, поперечную обмотку в виде кольца 6, установленную параллельно плоскости сердечника 1 Феррозонда, анализатор 7 гармоник, соединенный с обмоткой 6.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом (фиг. 1),

Сердечник 1 с помощью генератора 4 перемагничивают периодически изменяющимся полем возбуждения.

На анализаторе 7 гармоник поочередно устанавливают частоты f -f j

сигнала f.rt -х, где V - ско в- /Ча,Э

рость распространения магнитоакусти- ческих волн в сердечнике; Л ,,/2, э Длины волн магнитоакустических колебаний, равные соответственно удвоенной толщине, ширине и удвоенной ширине сердечника на высших четных гармониках частоты возбуждения, одновременно убеждаясь, что амплитуды сигналов Ј rfi на анализаторе 7 проявляют яемонотонность спадания общего спектра гармоник феррозонда, т.е. являются для него резонансными и определяются

соответствующими размерами сердечниа

ка при условии Ъ , где а - ширина сердечника; Ъ - его толщина.

С пдмощыл анализатора 7 гармоник воспроизводят ферромагнитный резонанс материала сердечника в четной гармонике частоты возбуждения согласно формуле fm |цго, где у - гиромагнитное соотношение; hm- эффективная напряженность внутреннего магнитного поля, в котором находятся резонирующие магнитные моменты сердечника.

Таким образом, сердечник периодически насыщают продольным переменным магнитным полем возбуждения с помощью генератора 4 на частоте, соответствующей условию резонанса

f - f

7« 2nmfe

VB; fi 2i4f№; fn,

где 2п - малое четное число;

2n .- номер одного из резонансов

(гармоник) fл - fз 5 2nw - номер четной гармоники, на которой удвоенное cbeppo- магнитный резонанс. Оптимальное значение частоты возбуждения f6o также соответствует Формуле

0

5

0

5

тот гармоник возбуждения, соответствующих гармоническим магнито- акустическим колебаниям сердечника в его удвоенной толщине, ширине и в удвоенной ширине соответственно; 2nm- номер четной гармоники возбуждения, на которой воспроизведен ферромагнитный резонанс мате- риала сердечника. Значение магнитной индукции внешнего поля вдоль направления поля возбуждения определяют по амплитуде установившейся второй гармоники частоты оптимального возбуждения с помощью л обмотки 3 и селективного вольтметра 5. Использование предлагаемого способа будет наиболее эффективно при измерении постоянной и медленно меняю10

20

щейся магнитной индукции, поскольку именно в этот диапазон измерений вносится погрешность за счет возмущений сигнала второй гармоники при переходе поля возбуждения через нуль из-за . ложных сигналов, возникающих при совпадении собственных резонансов сер- - дечника с нечетными гармониками час тоты возбуждения.

На предприятии изготовлен макет установки, на которой экспериментально, проверен способ измерения магнитной индукции.

Блок-схема (Лиг. 2) установки экс- периментальной проверки заявляемого способа содержит феррозонд 8, помещенный в трехслойный ферромагнитный экран 9 и соленоид 10, соединенный со стабилизированным источником И питания типа Б5-12 через магазин 12 сопротивлений типа Р-33, поперечную обмотку 13 в виде кольца, накладываемую на феррозонд 8 и соединенную с селективным микровольтметром в режиме анализатора 14 спектра типа SMV-6, генератор возбуждения - источник 15 синусоидальных электромагнитных колебаний типа ГЗ-33, подключенный через сопротивление 16 1 Ом к обмотке воз буждения феррозонда 8 и к фазочувст- вительному нановольтметру 17 типа 232В Unipan через удвоитель J8 частоты. При этом параллельно сопротивлению 16 подключен цифровой вольтметр 19 типа В7-28, а к удвоителю частоты 18 - стабилизированный источник 20 питания типа Б5-12.

На макете установки (фиг.2) исслеа также снятия показаний по нановоль кетру 17 производились последовател но поочередно.

С помощью нановольтметра 17 при опорном сигнале, соответствующем вт рой гармонике частоты возбу чдения5п даваемым от генератора 15 через удвоитель 18 частоты, снимали со стандартной измерительной обмотки сбЗ сиг нал, пропорциональный магнитной индукции среды, вмещающей сЬеррозонд.

С помощью.экрана 9 и соленоида 10 питаемого источником 1 1 через магазин сопротивлений 12, в месте установки Феррозонда создавали магнитную индукцию, соответствующую показаниям нановольтметра 17 поярдка единиц или десятых долей микровольт.

С помощью обмотки 13 и анализато- ра 14 спектра подстраивали частоту возбуждения генератора 8 так, чтобы магнитоакустический резонанс ФЗ-1 и ФЗ-2 приходился на ее четную гармони 25 ку. Для ФЗ-2 возможно полнее выполнить условия, требуемые для предлагаемого способа измерения магнитной индукции.

Нестабильность амплитуды второй гармоники, частоты возбуждения для сравниваемых ВД измеряли несколькими сериями в течение 8 ч. В каждой сери измерения осуществлялись через 30 с. Изменения амплитуды второй гармоники в каждой серии фиксировались по пока заниям нановольтметра J7 с измерител ной обмоткой ФЗ.

В течение 8 ч вели запись на само писце выходного сигнала ФЧ-2 (за ис30

35

дованы два (Ъеррозонда (лз) . ч-1 пред-40 ключением коротких промежутков вре- ставляет собой серийный образец смени измерения нестабильности).

В начале и в конце испытаний была измерена амплитуда второй -гармоники частоты возбуждения для сравниваемых ФЗ в поле ферромагнитного экрана и вне его. Отношение амплитуд составил U 3,340,3, причем индекс 2 относит ся к ФЗ-2, а индекс 1 - к ФЗ-1.

сердечниками из материала марки 79НМ, залитыми уплотнителем. имеет стандартный каркас и обмотки, идентичные ФЗ-1, материал сердечников также марки 79HN. Геометрические размеры - из имевшихся в наличии стандартных сердечников и частота возбуждения по-ч добраны возможно ближе к требуемым по предлагаемому способу.

Исследования проводились следующим образом.

ФЗ-1 и ФЗ-2 возбуждали генератором 8, устанавливая с помощью сопротивле

и вольтметра 19 ток возбуждения 40 мА,

ФЗ-1 и ФЗ-2 помещались в соленоид 10 и ферромагнитный экран 9. Подключения ФЗ-1 и ФЗ-2 к схеме измерения,

0

0

а также снятия показаний по нановольт- кетру 17 производились последовательно поочередно.

С помощью нановольтметра 17 при опорном сигнале, соответствующем второй гармонике частоты возбу чдения5подаваемым от генератора 15 через удвоитель 18 частоты, снимали со стандартной измерительной обмотки сбЗ сигнал, пропорциональный магнитной индукции среды, вмещающей сЬеррозонд.

С помощью.экрана 9 и соленоида 10, питаемого источником 1 1 через магазин сопротивлений 12, в месте установки Феррозонда создавали магнитную индукцию, соответствующую показаниям нановольтметра 17 поярдка единиц или десятых долей микровольт.

С помощью обмотки 13 и анализато- ра 14 спектра подстраивали частоту возбуждения генератора 8 так, чтобы магнитоакустический резонанс ФЗ-1 и ФЗ-2 приходился на ее четную гармони- 5 ку. Для ФЗ-2 возможно полнее выполнить условия, требуемые для предлагаемого способа измерения магнитной индукции.

Нестабильность амплитуды второй гармоники, частоты возбуждения для сравниваемых ВД измеряли несколькими сериями в течение 8 ч. В каждой серии измерения осуществлялись через 30 с. Изменения амплитуды второй гармоники в каждой серии фиксировались по показаниям нановольтметра J7 с измерительной обмоткой ФЗ.

В течение 8 ч вели запись на самописце выходного сигнала ФЧ-2 (за ис0

5

ключением коротких промежутков вре- мени измерения нестабильности).

В начале и в конце испытаний была измерена амплитуда второй -гармоники частоты возбуждения для сравниваемых ФЗ в поле ферромагнитного экрана и вне его. Отношение амплитуд составило U 3,340,3, причем индекс 2 относится к ФЗ-2, а индекс 1 - к ФЗ-1.

В результате исследований лз-J и ФЗ-2 получены следующие данные представленные в таблице.

Кроме того, еще одним положительным эффектом способа является возможность неразрушающего контроля и отбраковки серийных ФЗ по их резонансным характеристикам, так как отбраковка только по интегральным характеристикам (по петле гистерезиса) недостаточна .Как показано в результате

проведенных исследований, если толщина и свойства материала сердечника ФЗ не одинаковы по всей его длине, такой ФЗ не может быть введен в оптимальный (резонансный) режим и должен быть отбракован, так как и в штатном режиме нестабильность его показаний будет недопустимо высокой.

Формула изобретения

Способ измерения магнитной индукция, включающий перемагничивание сердечника феррозонда периодически изме- няйщимся продольным магнитным полем возбуждения, дополнительное гармоническое подмагиичивание сердечника поперечным магнитным полем на одной из высших четных гармоник частоты воз™ буждения за счет магнитоакустического резонанса, устанавливаемого по максимуму электромагнитного излучения в направлении, ортогональном полю пере- магничивания, на частоте, равной от-

0

$ 0 5

ношению скорости магнитоакустической волны V к удвоенной толщине сердечника 2Ъ, и определение значения измеряемой магнитной индукции по амплитуде установившейся второй -гармоники этого перемагничивания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, Фикси- руют резонансные экстремумы э направлении, ортогональном полю перемагни- чивания на частотах f, , f, f , f,

V

V

где f, - 2b 4 . f

VD V

a fm y , b a/2, где а - ширина сердечника, у - гиромагнитное соотношение; hm эффективная напряженность внутреннего магнитного поля, изменяют частоту и амплитуду тока перемаг- ничивания, так чтобы частоты ft, f, fij, f совпадали с .высшими четными гармониками частоты -возбуждения,,, лри этом разность ч астот f - f.// выбирают близкой к малому четному числу частот возбуждения.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ измерения магнитной индукции реализован в устройстве. Сердечник 1 с помощью генератора 4 перемагничивают периодически изменяющимся полем возбуждения. На анализаторе (А) 7 гармоник поочередно устанавливают частоты F₁, ... F₃, одновременно убеждаясь, что амплитуды сигналов на А 7 проявляют немонотонность спадания общего спектра гармоник феррозонда. С помощью А 7 воспроизводят ферромагнитный резонанс материала сердечника в четной гармонике частоты возбуждения согласно формуле, приведенной в описании изобретения. Таким образом, сердечник периодически насыщают продольным переменным магнитным полем возбуждения с помощью генератора 4 на частоте, соответствующей определенному условию резонанса. Значение магнитной индукции внешнего поля вдоль направления поля возбуждения определяют по амплитуде установившейся второй гармоники частоты оптимального возбуждения с помощью обмотки 3 и селективного вольтметра 5. Способ наиболее эффективен при измерении постоянной и медленно меняющейся магнитной индукции, поскольку именно в этот диапазон измерений сигнала вносится погрешность за счет возмущения поля сигнала второй гармоники при переходе поля возбуждения через ноль из-за ложных сигналов, возникающих при совпадении собственных резонансов сердечника с нечетными гармониками частоты возбуждения. 2 ил.

Показатели

Чувствительность

Нестабильность выходного сигнала на второй гармонике частоты возбуждения Ток в обмотке возбуждения , мА Уровень магнитного шума

ФЗ-1

ФЗ-2

Повысилась в АО раз

Повысилась в 60 раз

Нет данных

Снижен от , 40 до 15-23 Нет данных

19

15

8

18

20

17

74

Фиг. 2