Способ измерения величины и направления магнитного поля и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к технике магнитных измерений и предназначено для измерения величины и направления магнитных полей, а также радиостан- 5 ционной передачи этих измерений, например, в системах управления, автоматического регулирования и контроля производственными процессами.

Известны способы и устройства для |0 измерения величины и направления магнитных полей, в основе которых лежат различные физические принципы, например эффект Холла, магнетронный эффект, эффект ядерного магнитного ре- jj эонанса (ЯМР), устройства с изменением магнитного сопротивления 1 .

Однако малая величина выходного отклика ограничивает разрешающую способность и чувствительность реали- 20 зующих эти способы устройств и делает необходимым использование таких устройств совместно с усиливающими и, если требуется большая точность измерения, преобразующими в дискретно- 25 цифровую форму, дополнительными специальными устройствами. Это существенно удорожает общее устройство, снижает его надежность. Кроме того дистанционность измерения достигается с

помощью кабельных проводных линий, что неудобно.

Известен способ измерения магнитного поля, основанный на взаимодействии поля с заряженными частицами ионизованной газовой среды (плазмы) Этот способ является наиболее близким по техническому решению к изобретению.

Магнитоэлектрическийдатчик выполнен в виде диска с присоединенными к его центру и периферии проводниками, снабжен кольцом, соосно расположенным с диском и герметически соединенным с ним двумя диэлектрическими шайбами, причем пространство между кольцом и диском заполнено газообразным реагентом. Под влиянием напряжения возникает разряд и газ переходит в плазму. В магнитом поле траектории частиц отклоняются от прямолинейных. В результате увеличивается внутреннее сопротивление датчика, которое и принимается за меру величины измеряемого магнитного поля.

Как следует из приведенного описания, магнитоэлектрический датчик является датчиком магнитосопротивления на основе газоразрядной плазьш.

Однако проводимость плазмы не сильно зависит от величины магнитного поля / и в слабых полях изменяется малозаметно. Поэтому и этот датчик имеет достаточно слабый выходной сигнал, а следовательно, и малые разрешающую :пособность и чувствительность. Он фало эффективен .(особенно для работы i слабых магнитных полях),

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и чувствительности измерения.

Достигается это тем, что создают кольцевой контрагированный разряд и ограничивают его перемещение по всем степеням свободы, крюме радиальной, а за меру величины измеряемого магнитного поля принимают изменение частоты колебаний электрического тока в разряде.

В устройстве для осуществления способа, содержащем кольцевую газоразрядную камеру с двумя электродами и электрический блок, кольцевая газоразрядная камера выполнена из диэлектрика, герметично разделена поперечной диэлектрической стенкой, а электроды расположены по обе стороны разделительной стенки и выполнены штьзревыми.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа измерюг ния величины и направления магнитного поля.

Устройство представляет собой выполненную из диэлектрика кольцевую газоразрядную камеру 1, герметично разделенную поперечной диэлектрической стенкой 2, по обе стороны которой расположены два штыревых электрода 3 и 4. Между электродами 3 и 4 создают кольцевой контрагированный разряд 5. Электрический блок содержит балластное 6 и нагрузочное 7 сопротивления, шунтирующую емкость 8, которая может иметь и паразитный характер в схеме, волномер 9, выходы для съема электрического сигнада: I и Ц- для местных и, lit - для ргщиодистанционных измерений.

В слаботочном слабоконтрагированном разряде среднего давления порядка Kf-lO® ат могут самовозбуждаться регулярные колебания на частоте Гц. Вольтамперная характеристика такого разряда имеет гистерезисные особенности. Обнаружено, что в области вольтамперной гистерезисной петли колебания в разряде особенно интенсивны и стабильны, их частота зависит от-длины разряда и,благодар электромагнитному излучению в радиодиапазоне , колебания могут восприниматься рс1диодистанционно. В петле колебания имеют релаксационный характер и связаны с переменным характером контракции разряда. Разряд в целом оказывается чувствительным к силам гравитации и инерции.

Специально выполненные экспериментальные исследования показали, чт частота электрических колебаний в описываемом разряде существенно зависит от величины магнитного поля, Закладываемого перпендикулярно на разряд, так как под действием магнит ного поля разряд деформируется и, следовательно, удлиняется. Эти исследования дали основание использовать контрагированный-разряд для целей манитометрии.

Однако разряд в свободном состоянии (например, линейный разряд в цилиндрической трубке) оказывается непригодным для измерения магнитного поля, так как он, как было указано, чувствителен к силам гравитации и инерции, а поэтому также изменяет свою длину под действием этих сил. Из-за этого становится невозможным различить причины, вызвавшие изменение длины разрядов а, следовательно, и изменение частоты электрических колебаний в разряде.

Крометого, эффект модуляции частоты колебаний в разряде магнитньм полем четный, что в случае разряда в свободном состоянии делает невозможным определение знака (направления) магнитного поля и его пространственных компонент.

Для того, чтобы сделать разряд пригодным для целей магнитометрии, в данном способе измерения магнитного поля предусматривается создание кольцевого контрагированного разряда с ограничением его перемещения по всем степеням свободы, кроме радиальной, для которой разряд оказывается практически нечувствительн1Д 1 к силам гравитации и инерции.

Устройство для реализации способа измерения магнитного поля работает следукяцим образс 1.

В отсутствие магнитного поля кольцевой контрагированный разряд 5 плотно охватывает (как бы оттягивает) внутренний диаметр диэлектрической газоразрядной камеры 1. При этом в разряде происходят электрические колебания с некоторой стационарной частотой Л , зависящей от величины разрядного тока :: устанавливаемой переменным сопротивлением 6. В магнитном поле, если это поле образует правовинтовую нормаль с плоскостью кольцевого разряда при обходе разряда в направлении отрицательной полярности, происходит взаимодействие поля с токонесущими компонентами пламы (на электроны и ионы разряда действуют радиальные распирающие кольцевой разряд силы Лоренца),что ведет к увеличению кольцевого диаметра разряда 5 с удлинением его сЕ едней линии. При этом частота колебаний в раряде изменяется (уменьшается) относительно стационарной VQ на некоторую величину лО , которая и принимается за меру действующего (измеряеtyioro) магнитного поля. Для поля обратной полярности устройство нечувст ителбно, так как в этом случае силы Лоренца имеют центронаправленный характер, стягивают разряд, и разряд, плотно охватывающий внутренний диаметр газоразрядной камеры 1, не изменяет своего кольцевого диаметра, а следовательно, и не изменяется частота стационарных колебаний - в разР5ще. Для измерения поля обратной полярности нужно переориентировать устройство, т.е. перевернуть устройство так, чтобы измеряемое магнитное поле и его составляющие снова образовывали правовинтовую нормаль с плоскостью кольцевого разряда.

Таким образом устройство обладает селективной чувствительностью к направлению магнитного поля, а знак и распределение его пространственных компонентов определяются по пространственной ориентации устройства при измерениях.

Помехозащищенность разряда в устройстве от сил гравитации и инерции, к которым, как было указано, разряд оказывается чувствительным, обеспечивается кольцевой конструкцией газоразрядной камеры, кольцевой канал которой обжимает разряд в поперечнике так, что он не имеет других степеней свободы, кроме радиальной под действием сил Лоренца.

Выходной сигнал в виде частотномодулированных электрических колебаний снимается при местных измерениях в виде достаточно высоковольтных колебаний пилоообразной формы с выхода Цили в форме остроконечных импульсов с нагрузочного сопротивления 7 - выход Т, а также при ргщиодистанционных измерениях с катушки волномера 9 - выход ГЯ.

При радиостанционных измерениях волномер 9 работает в режиме ударного возбуждения и, если он настроен на частоту заведомо большую VQ, излучаемую устройством, то отзывается на каждый электромагнитный импульс устройства цугом собственных быстрозатухающих колебаний. При дистанции в несколько метров для уверенной работы устройства на волномер не требуется никакого промежуточного усиления.

Способ дает возможность получить высокий выходной уровень, дискретную форму, высокий КПД и радиодистанционность измерений; исключает необходимость в дополнительных преобразующих и усиливающих устройствах и, следовательно, сокращает общие расходы на разработку устройств для магнит-, ных измерений с мощным выходом, что дает экономию в народном хозяйстве Из всего изложенного следует, что

0 в целом устройство для осуществления предложенного способа представляет собой плазменный электромагнитный датчик, осуществляющий преобразование измеряемой величины в частотно-моду5 лированные электромагнитные колебания. Поэтому для унификации спе11ифических особенностей такого устройства представляется целесообразным присвоить ему наименование ПЛАЭМД (плазменный электромагнитный датчик),

Формула изобретения

измерения величины и направления магнитного поля с. помощью газового разряда, отличающийс я тем, что, с целью увеличения разрешакндей способности и чувствительности измерения, создают кольцевой контрагированный разряд и огранцчивают его перемещение по всем степеням свободы, кроме радиальной, а за меру величины измеряемого магнитного поля принимают 1змерение частоты колебаний электрического тока в разряде.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее кольцевую газоразрядную камеру с двумя электродами и электрический блок, отличающееся тем, что кольцевая газоразрядная камера выполнена из диэлектрика, герметично разделена поперечной диэлектрической стенкой, а электроды расположены по обе стороныразделительной стенки и ввшолнены тыревыми.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Чечерников В. И. Магнитные измерения. Изд-во МГУ, 1963, с. 31-46.

2.Авторское свидетельство СССР 464875, кл. G 01 R 33/02, 1975. А-А

8

.А.