Устройство для измерения градиента магнитной индукции Советский патент 1993 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения градиента магнитной индукции источников поля, составляющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами этого источника поля, являющегося изделием из ферромагнитных масс, с осуществлением контроля качества изготовления данного изделия.

Цель изобретения - повышение точности измерения градиента вектора магнитной индукции, созданной источником поля, и обеспечение возможности определения векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля.

На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения градиента магнитной индукции.

Устройство состоит из трех трехкомпо- нентных магниточувствительных преобразователей, каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональных однокомпо- нентных преобразователей 1-3, 4-6, 7-9, девяти усилительно-преобразовательных блоков 10-18, трех блоков 19-21 вычитания, генератора 22 переменной ЭДС и девяти компенсационных катушек 23-31.

Первые входы усилительно-преобразовательных блоков 10, 11, 16 подключены к выходам соответствующих, преобразователей 3, 9, 6, оси которых параллельны. Первые входы блоков 12, 13, 17 подключены к выходам соответствующих преобразователей 2, 8, 5, оси которых параллельны. Первые входы блоков 14, 15, 18 подключены к выходам соответствующих соосных преобразователей 1, 7, 4. Выход А генератора 22 подключен к входам преобразователей 1-9, а выход С -.к вторым входам блоков 10-18. Выходы блока 16 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 25, 28, 31. оси которых параллельны оси преобразователя 3. Выходы блока 17 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 23, 26, 29, оси которых параллельны оси преобразователя 2. Выходы блока 18 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 24, 27, 30, оси которых соосны с преобразователем 1, при этом преобразователи 1, 4, 7 соосны с осью OY декартовой системы координат OXYZ с началом координат в точке 0. Преобразователи 2, 5, 8 параллельны оси ОХ и преобразователи 3, 6, 9 параллельны оси OZ упомянутой системы координат.

В предлагаемом устройстве магнито- чувствительные преобразователи 1-9, усилительно-преобразовательные блоки

10- 18 и генератор 22 переменной ЭДС выполнены аналогично, как и в известном устройстве для измерения параметров магнитного поля (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.117), При этом каждый усилительно- преобразовательный блок 10-18, подключенныйк соответствующему преобразователю, состоит из избиратель0 ного усилителя и синхронного детектора (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.117; Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В ЩелкинА.П.Магнитометрические преобразователи.

5 приборы, установки. Л.; Энергия, 1972, с.155). Блоки 19-21 вычитания представляют собой вычитающие усилители, которые могут быть выполнены на операционных усилителях типа 140УД17А по известной

0 схеме.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На входы преобразователей 1-9 подается с генератора 22 переменная ЭДС, воз5 буждающая эти преобразователи. В результате этого на выходе каждого из преобразователей 1-9 появляется ЭДС второй гармоники, пропорциональная соответствующей составляющей вектора магнитной ин0 дукции. Выходные сигналы с преобразователей 1-9 усиливаются и детектируются блоками 10-18. Выходные сигналы с блоков 10 и 11,12 и 13,14 и 15 подаются на соответствующие блоки 19-21 вычита5 ния. Сигналы с блоков 19-21 пропорциональны разностям проекций векторов магнитной индукции между основными преобразователя 1и 7, 2 и8, 3 и 9. С учетом расстояния между упомянутыми преобразо0 вателями выходные сигналы с блоков 1921 градуируются в сигналы, пропорциональные пространственным производным вектора магнитной индукции, т.е. пропорциональные составляющим градиен5 та вектора магнитной индукции. Сигналы с блоков 16-18 пропорциональны значениям составляющих вектора магнитной индукции в месте расположения преобразователей 4- 6. Так, сигнал с блока 16 пропорционален

0 значению составляющей вектора магнитной индукции -Bze. сигнал с блока 17 пропорционален значению составляющей вектора магнитной индукции Ву4, сигнал с блока 18 пропорционален значению составляющей

5 вектора магнитной индукции Bxs. Эти выходные сигналы подаются с блока 16 на компенсационные обмотки 25, 28, 31, с блока 17 на компенсационные обмотки 23, 26, 29, с блока 18 на компенсационные обмотки 24, 27. 30. Компенсационные обмотки 23-31

воспроизводят подающиеся на них электрические сигналы в составляющие вектора магнитной индукции, равные по величине, но противоположные по направлению составляющим вектора магнитной индукции В2 {Вх5, Ву4, Bze}. измеренным преобразователями 4, 5, 6, осуществляя тем самым компенсацию однородного магнитного поля в объемах основных и дополнительных магниточувствительных преобразователей, что повышает точность измерения составляющих градиента магнитной индукции,изме- ренных основными преобразователями, более чем на порядок по сравнению с известными устройствами, в частности, приня- тыми за аналог и прототип, Так, например, в предлагаемом устройстве с помощью преобразователей 4, 5, 6 осуществляются изме- рение составляющих однородного магнитного поля Земли 5-10 нТл и компен- сация этого поля в объемах основных магни- точувствительных преобразователей. Предположим, что поле недокомпенсации составляет 50 нТл (поле недокомпенсации можно уменьшить до единиц и даже до де- сятых долей нанотесел). При неидентичности чувствительностей основных магниточувствительных преобразователей и при непараллельности магнитных осей этих преобразователей 4 - 5 максимальный ложный сигнал градиента магнитной индукции в предлагаемом устройстве по сравнению с известными устройствами станет от неидентичности чувствительностей преобразователей 1-10 нТл для предлагаемого устройства и 1 нТл для устройств, принятых за аналог и прототип, от непараллельности осей преобразователей 2-10 нТлдля предлагаемого устройства и 2 нТл для устройств, принятых за аналог и прототип. Таким обра- зом, в предлагаемом устройстве точность измерения градиента магнитной индукции на три порядка выше, чем в известных .устройствах.

Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с устройствами, принятыми за аналог и прототип , обеспечивает возможность определения составляющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, по измеренным разностям проекций векторов магнитной индукции, например, между преобразователями 1 и 7, 4 и 7, 2 и 8, 5 и 9, 6 и 9. Возможность определения упомянутых векторов магнитной индукции позволяет наиболее эффективно и с меньшей остаточной намагниченностью, а значит, и с более высокой точностью осуществлять размагничивание ферромагнитных тел, в частности спутников

Земли, являющихся носителями магнитометрической аппаратуры (Афанасьев Ю.В.. Биличенко С.В., Бобков Ю.Н. и др. Измерение вариаций геомагнитного поля в диапазоне частот 0,1 - 8 Гц на спутнике Интеркосмос-Болгария-1300, Nauch. apparat., 1987,2, 2, p.15-27), а также обеспечивать более высокую точность определения значения дипольного магнитного момента источника поля, исключив влияние магнитной индукции, созданной квадрупольным магнитным моментом.

Для определения составляющих векторов магнитной индукции, созданных дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, которым может быть любое намагниченное тело, располагают это тело так. чтобы его геометрический центр находился приблизительно на оси OY, а отрезок прямой, соединяющий максимально удаленные друг от друга две точки поверхности тела, ориентировочно был бы перпендикулярен оси OY. Принимая за точку приведения магнитного момента геометрический центр тела, измеряют предлагаемым устройством значения разностей проекций векторов магнитной индукции. По измеренным разностям проекций векторов магнитной индукции и расстояниям между геометрическим центром тела и преобразователями определяют значения магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, например, для местоположения преобразователей 1-3 из следующих выражений:

0000 ОО

B i Ј|-- r -2 xm:22Mym:-5; П т 1 т 1т 4

Ј

1

7

- 92 х : Э2у : -32/

- где Вт и ЕЙ - векторы магнитной индукции.

созданные дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля:

П ут - расстояние от близлежащего (первого) трехкомпонентного магниточувст- вительного преобразователя до геометрического центра источника поля:

Г2 У2. гз уз - расстояния от дополнительного и второго основного трехкомпонент- ных магниточувствительных преобразователей

до геометрического центра источника поля: оо.

Ј Мхт - 1 Вх28 ( - ) - т

- Вх58 (гГ4 - гГ4) д;

оо

4тг,

(гГ-г3-4)ГТ1 - 1

-Ву47(гГ4-г2-4);

00

ч . .Ц Jl г. / -Л -А

ZMzm -jjЈ BZ39 (Г2 - Г3 Ч) m -1

-В2б9(гГ4-г2-4);

А(гГ3-г2-3) (г2-4-гз 4 Мг2-3-г3-3) (rH-V), Т-знак транспонирования матрицы;

Вх28 Вх2 - Вхв; ВХ58 BY17

BYI-BY ;

BY47 BY4-BY7;BZ39 BZ3-BZ9; Bz69 Bz6-Bz9

- разности проекций векторов магнитной индукции между преобразователями 2 и 8, 5 и 8, 1 и 7, 4 и 7, 3 и 9, 6 и 9;

4 П Bx58(rY3-r;f 3)-Вх28(г2 3-гз 3) ;

Э2Х ,«о

a2Y

4я ,Мо

ВУ47()-ВУ17() д I

32Z - ТГ BZ69( ,

Lr2-3)-Bz39(r2-3-r3 3) 4; 30

,-7

.

.

jU0 4 л: 10 Гн/м.

Магнитная индукция, созданная магнитным моментом n-го порядка, где п 1, 2,...,.затухает от расстояния в гп+ раза. Так, например, магнитное поле, созданное магнитным моментом третьего порядка, и магнитное поле, созданное магнитным моментом четвертого порядка, по сравне нию с магнитным моментом первого поряд ка (дипольным магнитным моментом) ослаблено на расстоянии г от мультиполя соответственно в г и г раз. Поэтому для определения магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитны ми моментами, на практике часто бывает достаточно измерить параметры магнитного поля в трех точках пространства при наименьшем расстоянии от точки, выбранной на поверхности тела,до первой точки наблюдения, примерно равном или превышающем 3/4 максимального линейного размера исследуемого источника магнитного поля.

Определим значение магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами, и оценим погрешность определения дипольного магнитного момента тела, выполненного, например, в виде струны длиной 2 м.

10

i5

20

25

30

355

Jl

40

45

-

50

55

Геометрический центр струны совпадает с началом координат в точке О, при этом струна лежит на оси ОХ. В двух точках струны с координатами (1 мм; 0: 0) и (0; 0; 0) находятся два дипольных источника поля с магнитными моментами Mi{ 5 Ам2; 0; 0} и М2 {5Ам 0; 0}. Три трехкомпонентных магниточувст- вительных преобразователя относительно начала координат имеют следующие местоположения: I -(0; 1,5 м; 0), II -(0; 2 м; 0), III - (0; 1,7 м; 0). Решая прямую задачу, определим Вх28 -74,32 нТл, 8x58 36,29 НТл,.Ву17 64,5гнТл, BY47 -31,78 нТл, Вгзэ iBz69 0.

Определим теперь по измеренным параметрам магнитного поля и местоположениям трехкомпонентных магниточувствительных преобразователей значения проекций векторов магнитной индукции созданной диполь- ным и квадрупольнь м источниками магнитного поля, например, в точке 1(0; 1,5 м; 0):

Вх -239,1 нТл, BY 221,6нТл. Bz 0. Вх 93,4 нТл, BY -92,9 нТл; Bz 0.

..:, Дипольный магнитный момент по результатам измерений имеет значение М 8,90 Ам2. Истинное значение дипольного магнитного момента струны равно 10 Ам , следовательно,относительная методическая погрешность магнитного момента 11%. При среднем квадратическом от- клонении результатов наблюдений разно- стей проекций векторов магнитной индукции 0,1 нТл относительная инструментальная погрешность определения магнитного момента составит дм 2%. В известном устройстве, принятом за прототип, не исключается влияние квадрупольно- го магнитного момента. Поэтому в известном устройстве значение дипольного магнитного момента, полученное по измеренным разностям проекций векторов магнитной индукции для точек наблюдения II и III, М 5,04 Ам , а относительная методическая погрешность этого момента дм 49,6%. На расстоянии 20 м (расстояние от второго трехкомпонентного магнитометрического преобразователя в 10 раз превышает максимальный линейный размер тела).от геометрического центра тела методическая погрешность определения магнитного момента составит дм 0,8%. Однако даже при среднем квадратическом отклонении результатов наблюдений разностей проекций векторов магнитной индукции, равном 0,01 нТл, относительная инструментальная погрешность определения магнитного момента составит более 100%.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерения градиента магнитной индукции более чем на порядок, а также обеспечивает возможность определения магнитной индукции, со- зданной как дипольным, так и квадрупольным магнитными моментами. Использование в заявляемом устройстве вычислительного блока позволит автоматизировать процесс вычисления составляющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, и составляющих вектора дипольного магнитного момента этого источника, Для этого выходы блоков 11, 13, 15 и 19-21 следует подключить к входам ЭВМ, например, Электроника-60. В предлагаемом устройстве трехкомпонентные магниточувстви- тельные преобразователи могут быть выполнены с совмещенными магнитными центрами, в каждом из которых магниточув- ствительные элементы представляют собой два замкнутых ферромагнитных сердечника (Афанасьев Ю.В. Феррозондовы е приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.55).

Формулаизобретения Устройство для измерения градиента магнитной индукции источника поля, содержащее два трехкомпонентных магниточув- ствительных преобразователя, каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональ- ных однокомпонентных преобразователей, шести усилительно-преобразовательных блоков, первый вход каждого из которых подключен к соответствующему выходу однокомпонентного преобразователя, трех блоков вычитания, каждый из которых подключен к выходам двух усилительно-преобразовательных блоков, подключенных к выходам однокомпонентных преобразователей с коллинеарными осями, два из которых соосны, выходы блоков вычитания являются выходом устройства, и генератор переменной ЭДС, один выход которого подключен к входам магниточувствительных преобразователей, а второй - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, отличаю щеесятем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, заключающемся в обеспечении возможности определения векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, он снабжен дополнительным трехкомпонентным магнито- чувствительным преобразователем, состоящим из трех взаимно ортогональных однокомпонентных преобразователей, оси которых коллинеарны осям основных преобразователей, тремя дополнительными усилительно-преобразовательными блоками и девятью компенсационными обмотками, расположенными на трехкомпонентных преобразователях так, что ось каждой компенсационной обмотки соосна с осью соответствующего однокомпонентного преобразователя, при этом один из дополнительных однокомпонентных преобразователей соосен с двумя основными од покомпонентны ми преобразователями, первые входы дополнительных усилительно-преобразовательных блоков подключены к соответствующим выходам дополнительных однокомпонентных преобразователей, а вторые входы этих блоков подключены к второму выходу генератора переменной ЭДС, выходы каждого дополнительного усилительно-преобразовательного блока подключены к соответствующим трем компенсационным обмоткам, оси которых коллинеарны, входы дополнительных однокомпонентных преобразователей подключены к первому выходу генератора переменной ЭДС.

Применение: измерительная техника, для измерения градиента магнитной индукции источников поля, а также для определе- ния векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами этого источника, являющегося изделием из ферромагнитных масс, с осуществлением контроля качества изготовления этого изделия. Суть изобретения: устройство содержит три трехкомпо- нентныхмагниточувствительных преобразователя, каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональных одноком- понентных преобразователей 1-3, 4-6, 7-9. девять усилительно-преобразовательных блоков 10-18, три блока 19-21 вычитания, генератор 22 переменной ЭДС, один выход которого подключен к входам магниточувствительных преобразователей, а другой - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, и девять компенсационных обмоток 23-31, расположенных на трехком- понентных преобразователях так, что ось каждой компенсационной обмотки соосна с осью соответствующего однокомпонентно- го преобразователя. 1 ил. СО с