Способ измерения магнитного поля Советский патент 1977 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к магиитны.м измерениям и может быть использовано при построении первичных измерительных преобразователей, преимущественно слабого постоянного или медленноменяющегося магнитного поля в электрический сигнал, геофизических и навигационных устройств.

Известен способ измерения магнитного поля, по которому в измеряемое поле но.мещают магнитоировод с распределенной по нему сигнальной обмоткой и вспомогательным переменным полем либо одновременно постоянным и переменным полями осуществляют под.магничивание магнитопровода. В результате подмагничивания изменяется магнитная проницаемость тела магнитопровода, а следовательно, магнитная проницаемость тела магнитопровода для внещнего измеряемого поля. Изменение магнитной проницаемости тела магнитопровода приводит к модуляции измеряемого магнитного потока в нем с частотой, совпадающей с частотой поля подмагничивания, или удвоенной частотой. О величине измеряемого поля судят по величине ЭДС в сигнальной обмотке с частотой подмагничивающего поля или удвоенной частотой. Способ реализуется с иснользованием как замкнутых, так и разомкнутых магнитолроводов Ij.

Однако магнитная проиицаемость тела магнитопровода для впешнего из.меряемого магнитного поля и магнитный поток в теле магнитопровода связаны с магнитной проницаемостью материала .магнитопровода нелинейной зависимостью и из.меняюгся в меньших

абсолютных и относительных пределах. Это снижает по.мехоустойчивость, чувствительность и тем самым точность измерения по этому способу. Кроме того, в случае регистрации ЭДС в сигнальной обмотке, изменяющейся с

удвоенной по сравненню с полем подмагничивания частотой, усложняются соответствующие вторичные преобразователи.

Наиболее близким по техническо.му рещению к изобретению является способ из.мерения магнитного поля с по.мощью чувствительного элемента в виде замкнутого магиитопровода с распределенной по нему сигнальной обмоткой, заключающийся в периодическом под.магничивании противолежащих участков

магнитонровода и из.мерении ЭДС в сигнальной обмотке 2.

Однако при измерении по этому способу магнитная проницае.мость тела магнитопровода в направлении измерения изменяется по закону, нелинейно связанному с изменением пронидае.мости материала участков. Это приводит к вредной модуляции измеряемого магнитного потока через тело .магнитопровода по

нелинейному закону, а следовательно к появ

лению высших гармонических составляющих в выходной ЭДС.

Цель изобретения - иовышение точности измерений.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу противолежащие участки магнитопровода помещают во вспомогательные постоянные поля одинаковых величины и направления, а также в переменные поля одинаковой величины, но разного направления, либо в переменные поля одинаковой величины и направления и в постоянные поля одинаковой величины, но разного напряжения.

На фиг. 1 показан чувствительный элемент; на фиг. 2 и 3 - кривые изменения дифференциальной магнитной проницаемости материала участков для случая противофазного подмагничивания по одной ветви и разным ветвям кривой намагничивания соответственно, на фиг. 4 - эквивалентная схема магнитных потоков в магнитопроводе.

Пример 1. Для измерения использовали чувствительный элемент (фиг. 1) в виде замкнутого магнитопровода 1 с распределенной по замкнутому контуру сигнальной обмоткой 2. Каждый из противолежащих участков 3 и 4 помещали в зазор отдельного электромагнита. По обмоткам электромагнитов пропускали постоянный ток одинаковых величин и знака и переменный ток одинаковой величины, но разного знака. Чувствительный элемент помещали в эталонное поле с известными напряженностью и направлением и ориентировали до совпадения продольной оси магнитопровода с направлением поля. Замер ЭДС осуществляли в сигнальной обмотке и находили коэффициент, определяющий чувствительность измерения как частное от деления выходной ЭДС, на величину наирял енности поля.

Чувствительный элемент помещали в измеряемое поле и ориентировали продольной осью в направлении измерения, замеряли выходную ЭДС. Для нахождения величины поля в направлении измерения полученное значение ЭДС делили на коэффициент, определяющий чувствительность измерения.

На фиг. 2 кривая 5 изображает изменение дифференциальной магнитной проницаемости материала магнитопровода в функции напряженности поля подмагничивания. Участки 3 и 4 в зазорах электромагнитов находятся под действием постоянного поля с напряженностью Hi (оба участка) и переменного поля с напряженностью, изменяющейся во времени по кривым 6 п 7 соответственно. Проницаемость материала участков 3 и 4 изменяется во времени по противофазным кривым 8 и 9.

Пример 2. Для измерений применяли чувствительный элемент, показанный на фиг. 1. Каждый участок 3 и 4 помещали в зазор отдельного электромагнита. По обмоткам электромагнитов пропускали постоянный ток одинаковой величины, но разного знака и переменный ток одинаковых величины и знака.

Дальнейшие измерения выполняли как описано выше. Результаты измерения совпадают. Участки 3 и 4 в зазорах электромагнитов находились под действием постоянных полей с напряженностью и -HI соответственно и переменного ноля одного направления (кривые 6 и 6). Проницаемость материала участков 3 и 4 изменялось во времени по противофазным кривым 8 и 9 соответственно.

Пример 3. Для измерений использовали чувствительный элемент показанный на фиг. 1. В каждом из противолежащих участков 3 и 4 выполняли отверстие, в котором размещали обмотку подмагничивания. Подачу тока в обмотки подмагничивания и дальнейщие операции по измерению осуществляли в соответствии с примерами 1 и 2. Результаты измерений совпадают. Ниже приводится характеристика чувствительного элемента, результаты измерений по примерам 1, 2 и 3 и математический анализ по предлагаемому способу.

Магнитопровод чувствительного элемента выполняли из листового пермаллоя толщиной

0,05 мм при наборе 1,2 мм, длине магнитопровода 90 мм и после термообработки помещали в защитный диэлектрический чехол (сигнальная обмотка 400 витков, обмотка подмагничивания по 50 витков на каждом электромагните или в каждом отверстии). В обмотку подмагничивания подавали постоя Л1ЫЙ ток 9 ма и переменный ток 2 ма частоты 5 кгц.

Получено значением выходной ЭДС с частотой 5 КГЦ - 10 MB для поля с единичной напряженностью 1 а/и в диапазоне измеряемых полей от О до 50 а/м. Коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала (коэффициент гармоник) в поле с напряженностью 25 а/м менее 2%, остаточный сигнал при нулевом значении напряженности измеряемого поля 1,5 м/в, выходное сопротивление чувствительного элемента по сигнальной обмотке 250 ом. Выбором в примерах 1, 2 и 3 режима подмагничивания по постоянному току (величины тока) и по переменному току (амплитуды и формы тока) может быть обеспечен синусоидальный характер изменения магнитной проницаемости материала участков 3 (jii)

и 4 (|i2). В этом случае кривые 8 и 9 математически могут быть записаны в виде

|1, г IJ. + sin Q(;

lij а - Да sin Qi

где |.i и A)i среднее значение и амплитуда приращения магнитной проницаемости материала участков; Q-круговая частота; t - время.

При этом очевидно, что магнитная проводимость материала магнитопровода м в направлении измерения, а следовательно магнитная проводимость тела магнитопровода gt во внешнем поле этого направления и магБИТНЫЙ поток Яо через тело магнитопровода

э

от измеряемого поля остаются неизменными во времени и равны

5 jJ-oPЯм gi + Я2 (0 (г + Н-а)

zT I

,ЯЛ

ST

/

где gi и g2 - магнитная проводимость материала участков 3 и 4;

Но-абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

1-1т - магнитн-ая проницаемость тела магнитоцровода;

HO - напряженность измеряемого магнитного поля;

/ и 5 - длина и площадь поперечного сечения магнитопровода.

Поток Фо от измеряемого магнитного поля распределяется по участкам 3 и 4 замкнутого магнитоцровода в соответствии с их магнитной проводимостью определяемой магнитной проницаемостью материала участков. Потоки Ф1 и Ф2 в участках 3 и 4 могут быть найдены по первому закону Кирхгофа для магнитных цепей и равны

.sinQ.

Ф

1о О

22а

0,..sinQ.

22 ;а

Эквивалентная схема действующих в магнитопроводе магнитных потоков представлена на фиг. 4, где 10 и 11 - источники переменных потоков

Ф„ Ди

sinQ.

и

Из схемы видно, что действующий в магнитопроводе магнитный поток от измеряемого поля может быть представлен как постоянный поток Фо, равномерно распределенный по

участкам 3 и 4 и замкнутый переменный магнитный поток. Поток по замкнутому контуру магнитопровода () может быть найден как разница магнитных потоков Ф1 и Фа

Ф Фо - Sin Йг sin Ш,

и.

а ЭДС (е) в сигнальной обмотке с числом витков W

йФ,

- WQy.,i.H,S - cos Q.

e - W

Из последнего вырал ения видно, что выходная ЭДС связана с напряженностью измеряемого поля через постоянные коэффициенты и имеет гармонический характер при гармоническом противофазном законе изменения магнитной проницаемости материала противолежащих участков магнитоировода.

Формула изооретения

Способ измерения магнитного поля с помощью чувствительного элемента в виде замкнутого магнитопровода с распределенной по

нему сигнальной обмоткой, заключающийся в периодическом подмагничивании противолежащих участков магнитопровода и измерении ЭДС в сигнальной обмотке, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, противолежащие участки магнитопровода помепгают во вспомогательные постоянные поля одинаковых величин и направления, а в переменные поля одинаковой величины, но разного направления, либо в переменные поля одинаковых величины и направления и в постоянные поля одинаковой величины, но разного направления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе изобретения:

1. Афанасьев Ю. В. Феррозонды, Л., «Энергия, 1969, с. 14-39.

2. Авт. св. М 352238, кл. G 01R 33/00, 15.03.71.

t