Устройство для измерения магнитной восприимчивости Советский патент 1992 года по МПК G01R33/16 G01N27/76 

j:s СЛ

Ji. о

Изобретение относится к устройствам для измерения магнитной восприимчивости сред, например, горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, рыхлых отложений, почв, образцов, продуктов переработки железных руд на горно-обогатительных комбинатах и т.д.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг.1 и 2 представлено предлагаемое устройство с внутренним расположением приемных катушек, варианты выполнения; на фиг.З - электрическая схема устройства; на фиг.4 - зависимость геометрического фактора от относительного расстояния генераторной катушки до среды; на фиг.5 - график зависимости коэффициента влияния размеров образца от длины ребра кубика, изготовленного для исследуемого ма,териала; на фиг.6 и 7-сечения соответствующими плоскостями устройства с наружным расположением приемных катушек; на фиг.8 - расчетная кривая геометрического фактора.

На фиг.1 изображено сечение генераторной катушки 1 и находящихся внутри нее приемных катушек 2 и 3 плоскостью, проходящей через их центры. Все катушки прямоугольной формы и намотаны на общий каркас 4 из изоляционного материала. В плоскости сечения расположена общая ось 5 приемных катушек, которая проходит через центр генераторной катушки 1. Относительно этого центра Г1риемные катушки 2 и 3 смещены в разные стороны. Длина стороны среднего витка генераторной катушки 1 в направлении оси 5 обозначена Iri, а в перпендикулярном направлении 1г2 .Длина приемной катушки 2 длина стороны ее среднего витка в направлении Ini, 1п2 перпендикулярном оси 5, рарстояние между центрами катушек 1 и 21гп. Другая приемная катушка 3 может иметь иные геометриче-. ские размеры. Однако более удобной для выполнения оказывается конструкция с одинаковыми параметрами Ini, 1п2 и 1гп приемных катушек, при этом одинаковая площадь витков катушек 2 и 3 обеспечивается при намотке одинакового количества провода.

На фиг.2 показано сечение катушек 1-3 плоскостью, проходящейчерез оси этих катушек. Общая ось 5 приемных катушек 2 и 3 перпендикулярна оси 6 генераторной катушки 1. Длина стороны среднего витка приемной катушки 2 в направлении оси 6 обозначена 1пЗ. В крышке кожуха 7 с ручкой выполнен паз для размещения градуировочной катушки 8, которая соосна с генераторной катушкой 1 и выполнена со средним

витком, совпадающим по форме и размерам со средним витком генераторной катушки 1. Защитный кожух 7 из изоляционного матеоиала с контактными выступами 9 обеспечивает определенное рабочее растояние ho центров катушек 1-3 до плоской поверхности исследуемой среды 10. Расстояние между центрами генераторной и градуировочной катушек равно 2ho.

0 Генераторная катушка 1 (фиг.З) одним выводом соединена с клеммой генератора 11 переменного тока, а другой ее вывод объединен с выводом градуировочной катушки 8 и подключен к одному из контактов переключателя 12. Другой контакт переключателя 12 объединен со свободным выводом градуировочной катушки 8. Общий вывод переключателя 12 подключен к другой клемме генератора 11. Приемные катушки 2 и 3

0 включены последовательно встречно и свободными выводами соединены с измерительным блоком 13.

Устройство работает следующим образом.

5Генераторная катушка 1 создает в окружающем пространстве низкочастотное переменное магнитное поле. В воздухе при отсутствии магнитной среды магнитный поток через каждый виток прием0 ных катушек 2 :; 3 практически равен нулю, и на выводах приемных катушек 2 и 3 и входе измерительного блока 13 наблюдается лишь незначительная ЭДС небаланса. Над магнитной средой устройство располагается таким образом, что совмещенные оси генераторной итрадуировочных катушек 1, 8 перпендикулярны ее поверхности, а центр генераторной катушки 1 находится на рабочем расстоянии ho от этой поверхности. По0 лем генераторной катушки 1 происходит намагничивание среды 10 и появляется вторичное магнитное поле. Магнитные потоки вторичного поля через катушки 2 и 3, смещенные в разные стороны от центра

5 генераторной катушки 1, противоположны по знаку, и благодаря встречному включению этих катушек индуцируемые вторичные ЭДС суммируются. Суммарная вторичная ЭДС, действующая на входе измерительного блока 12, на его выходе фиксируется в аналоговой или цифровой форме. Внешнее почти однородное магнитное поле помехи создает в катушках 2 и 3 магнитные потоки одного направления, и поэтому инду5 цируемые ими ЭДС при равенстве площадей витков этих катушек практически взаимно компенсируют друг друга, что обеспечивает помехозащищенность устройства. При градуировке устройства в воздухе

переключатель 12 переводится из рабочего положения (фиг.З) в положение градуировки. При этом последовательно и согласно с генераторной катушкой 1 включается градуировочная катушка 8, магнитное поле которой индуцирует градуировочную ЭДС, Благодаря предложенной конструкции градуировочной катушки 8 и ее расположению величина градуировочной ЭДС соответстэует влиянию мaгниtнoй среды с определенным градуировочным значением магнитной восприимчивости. По выходным сигналам измерительного блока 13, появляющимся под воздействием магнитной среды и градуировочной катушки 8, и градуировочному значению магнитной восприимчивости определяется магнитная восприимчивость среды. Для устройства с квадратной генераторной катушкой (Iri 1г2 1г) и одинаковыми приемными катушками суммарная вторичная ЭДС А связана с геометрическими параметрами устройства и магнитной вбсприимчивостью среды к соотношением: Ае /го1 са Wr Wnir (1пЗ/1п2 ) G/c. (1-) где I - сила тока в генераторной катушке; со, - круговая частота тока; Wr, Wn - количество витков в генераторной и любой приемной катушках; кажущаяся восприим1 +0,5/с чивость. Геометрический фактор G учитывает влияние расстояния от центра генераторной катушки 1 до Г1ЛОСКОЙ поверхности среды 10 и выражается формулой (/F(t)dt- /F(t)dt) t112 Дв F (t) Vt2 + 0,25 (1-)2+4 (-jlf ITIf,25(1+- /+4ф2 (l),5-lrn/lr-0,5ln1/lr; ,5-lrn/lr + 0,5lni/lr; t2 0,5-1-Irn/lr-0,5 Inl/fn ,5-Hrn/lr + 0,5ln1/lr. . Из зависимости фактора G для генераторной катушки квадратного сечения Iri 1г2 1г от относительного расстояния h/lr при значениях 1п1/1г 0,135, 1п2/1г 0,783 и 1пг/1г 0,255 (фиг.4) следует, что максимальные значения G и Ае дocтигaюtcя при рабочем расстоянии ho 0,094 Ir. В этом случае получается не только наибольшая чувствител ьность измерений, но и минимальное влияние малых изменений воздушного зазора, а следовательно, и мелких неровностей поверхности среды. Фокусирующие свойства предлагаемого устройства достигаются за счет плоской формы конструкции и соответствующего выбора высоты контактных выступов 9 защитного кожуха 7. Вторичное поле однородной магнитной среды с плоской поверхностью определяется фиктивным источником, который образуется совмещением генераторной катушк1/1 с ее изображением в плоской поверхности при изменениу ее магнитного момента в у раз y -0,(3) Следовательно, градуировочная катушка непосредственно моделирует отраженный источник и строго воспроизводит поле магнитной среды с плоской поверхностью, если градуировочная катушка по форме и всем размерам аналогична генераторной катушке, соосна с ней и находится от нее на расстоянии, равном удвоенному расстоянию генераторной катушки до плоской rioверхности среды. При этом градуировочная катушка может отличаться от генераторной диаметром провода и количеством витков. Незначительная погрешность появляется, если градуировочную катушку выполнить в виде отдельных витков провода, равномерно распределенных по пазу намотки. Обычно приемлемая точность сохраняется и при локализации провода вблизи среднего витка градуировочной катушки, который по форме и размерам совпадает со средним витком генераторной катушки. Ввиду отрицательного знака у магнитные моменты градуировочной и генераторной катушек должны быть направлены в одну сторону, что обеспечивается согласным включением катушек 8 и 1. Абсолютная величина у должна совладать с отношением магнитных моментов градуировочной и генераторной катушек. В предполо кении неизменности, стабильности тока I при работе и градуировке отношение моментов совпадает с отношением количества витков Wrp градуировочной катушки к количеству витков Wr генераторной катушки, т.е./у; Wrp/Wr. С учетом формулы (3) величина кажущейся градуировочной восприимчивости/CrV 2 Wrp/Wr() Методика количественной интерпретации результатов измерений с предлагаемым устройством состоит в следующем. На первом этапе по выходным показателям измерительного блока п и Пгр, полученным при исследовании магнитной среды и при градуировке, находят кажущуюся восприимчивость.

к Кгр П/Пгр

а затем определяют магнитную восприимчивость среды (1- 0, Для слабомагнитной среды с л: 0,1 СИ значение

Процедура вычислений упрощается в случае цифровой индикации, если путем регулировки коэффициента усиления измерительного блока обеспечено численное

совпадение отсчета п со значением к: выраженным, например, в 10 долях единицы СИ.

Пример. На каркас из оргстекла наматывают катушки прямоугольной формы, сначала приемные, а затем генераторная. Длина стороны среднего витка прямоугольной генераторной катушки 1г 152 мм, количество витков Л/г 200, а индуктивность 13,6 мГн, Каждая из одинаковых приемных катушек характеризуется параметрами 1п1 20,5 мм, 1п2 119 мм, 1пз 12 мм, 1гп 38,75 мм, Wn 1200.

При встречном включении приемных катушек их общая индуктивность 368 мГн. Рабочее, расстояние от центра генераторной катушки до плоской поверхности среды выбрано в соответствии с расчетными данными ho 14,3 мм. Градуировочная катушка вследствие этого располагается от генераторной на расстояние 2ho 28,6 мм. Градуировочная катушка имеет малое количество витков Wrp - 3, а поэтому в соответствии с формулой (4) /Сгр 3000.10 СИ.

Генератор переменного тока вырабатывает синусоидальное напряжение 2,65 В частотой 1000 Гц. Для уменьшения потребляемой мощности и увеличения отношения сигнал/шум на эту резонансную частоту с помощью конденсаторов (не показано) настраиваются генераторная и приемная цепи устройства. Усилительная схема содержит .усилительный узел, синхроннь1й детектор преобразователь напряжение - цифровой код и цифровой индикатор (не показано).

Путем изменения направления включения, приемных катушек 2 и 3 установлено, что благодаря встречно последовательному их соединению влияние внешней помехи снижается почти на порядок.

Моделью среды с плоской поверхностью раздела служит емкость со слабомагнитной минеральной смесью, являющейся отходами переработки магнетировых руд (размеры зерен смеси менее 1 мм). Магнитная восприимчивость смеси к 38-10СИ определяется с помощью астатического

магнитометра. Выходные показания п макета устройства -снимаются при различных расстояниях h от центра генераторной катушки до выравненной поверхности смеси (значения h устанавливаются с помощью диэлектрических пластин толщиной 0,5-10 мм). Путем умножения на подобранный коэффициент отклонения п переводятся в экспериментальные значения геометрического фактора, показанные на фиг. 4 точками. Экспериментальные точки хорошо укладываются на расчетную кривую. Кроме того, по отсчету п, снятому при рабочем расстоянии ho, отсчету в воздухе Пгр в момент включения градуировочной ка тушки и полученному значению /Сгр по формуле (5) определена магнитная восприимчивость модели к 0, СИ, очень близкая к установленному ранее с помощью астатического магнитометра значению.

Рассматривалась возможность применения устройства для исследования образцов. Из картона изготавливались кубики, заполняемые той же минеральной смесью. Минимальное ребро d кубика 2,5 см, а затем размеры увеличивались через сантиметр до 12 см. При снятии отсчета Побр.от кубика его центр находится на оси генераторной катушки на расстоянии ho + d/2. Затем находят отсчет п от модели среды и определяют коэфс|)ициент влияния размеров образца: Кобр Побр/п. График зависимости Кобр, от длины ребра d показан на фиг.5. Для определения к любого сл-абомагнитного образца вместо формулы (5) следует пользоваться соотношением

к /Сгр Побр/(Пгр Кобр) .(6)

На фиг.6 и 7 представлены сечения соответствующими плоскостями варианта предлагаемого устройства с наружным расположением приемных катушек 2 и 3.

Если расстояние 1гп между центрами генераторной и приемной катушек достаточно велико по сравнению с размерами катушек 1-3, то суммарная вторичная ЭДС А выражается соотношением:

А 0, I со Wr Wn Iri 1г2 d 17п G к

(7)

где dn - диаметр среднего витка приемной катушки,

h гл , „ / h 4,2

1 +4(у)Г

(8)

G 1,5

IIII ГП

Расчетная кривая геометрического фактора (8) представлена на фиг-.8, из которой следует рабочее расстояние ho 0,25 1гп. Благодаря значительной глубинности исследования, обеспечиваемой выбором разноса 1гп, предлагаемое устройство с

наружным расположением приемных катушек может найти применение при технологическом опробовании железной руды на горно-обогатительных комбинатах.

Формулаизобретения Устройство для измерения магнитной восприимчивости, содержащее кожух, в котором размещены взаимно перпендикулярные генераторная и приемная катушки, один вывод генераторной катушки подключен к выходу генератора переменного тока низкой частоты, а один вывод приемной катушки соединен с входом измерительного блока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено дополнительной прием,ной катушкой, идентичной первой, и градуировочной катушкой, соединенной с переключателем, приемные катушки включены последовательно встречно,

второй выводдополнительной приемной катушки подключен к второму выводу измерительного блока, приемные катушки, которые расположёны соосно друг относительно друга, размещены по обе стороны относительно центра генераторной катушки, градуировочная kaтyшкa размещена соосно генераторной катушке, а средние витки градуировочной и генераторной катушке выполнены идентичными, при этом второй вывод генераторной катушки соединен с градуировочной катушкой, а переключатель подключен к второму выводу генератора переменного тока низкой частоты, причем расстояние между центрами градуировочной и генераторной катушек равно удвоенному расстоянию от центра генераторной катушки до плоскости, проходящей через вершины контактных выступов, выполненных на кожухе устройства.

Изобретение касается области измерений магнитной восприимчивости сред.например горных пород и руд в естественном залегании и на образцах. Устройство содержит генераторную 1,и приемную 2 катушки, у которых центры смещены друг относительно друга, а оси пересекаются, под прямым углом в центре генераторной катушки 1. С целью повышения точности измерений устройство Содержит дополни-^ тельную приемную катушку 3, смещенную в противоположную сторону от центра генераторной катушки 1, а также соосную с последней градуировочную катуш'ку 8. Примерно на порядок по сравнению с прототипом повышена чувствительность измерений. 8 ил.слс

, ФигЛ

фиаЗ

0,07 0.06 .

0,05О.Ю

о5р

и

0.8 Q.k

20 itO 60 80 ЮО

020 %г

0.15

Фиа

по d,MM Фиг.5

У/////////////7//7у

Фиг 7

0,2 ОЛ 0.6 0,8 W

h/ Пгп фиг.8