Устройство для определения маг-НиТНыХ СВОйСТВ ВЕщЕСТВ Советский патент 1981 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к средствам измерения магнитных величин и может быть использовано для определения намагниченности и магнитной восприимчивости слабомагнитных веществ, материалов и горных пород в условиях научной или заводской лаборатории .

Известны магнитометры, которые служат для определения намагниченности и магнитной восприимчивости срабомагнитных веществ, содержащие первичный преобразователь, который выполнен в виде стрежня, подвешенного на крутильной нити и связанного с ним измерительного и одного - двух астазиругощих магнитов, разнесенных на некоторое расстояние вдоль стержня и ориентированных параллельновстречно, и снабжены вторичными фотоэлектрическими преобразователями, схвачены отрицательной обратной связью (сое) по магнитному полю. Характерным элементом цепи ООС является катушка типа колец Гольмгольца, полностью охватывающая либо измерительный, либо астазирующий магнит.

Первичный преобразователь, состоящий из разнесенных по вертикали и ориентированных встречно двух одинаковых магнитов, не реагирует на внешнее или переменное, магнитное поле при условии его однородности. Измеряемый образец, располагаемый на линии, проходящей через центры магнитов, ближе к одному из них, называемому измерительным, и отклоняет последний на некоторый угол. Фотоэлектрический преобразователь с двумя

0 дифференциально включенными фотоэлементами на входе преобразует угловую величину в электрическое напряжение, которое является мерой измеряемого параметра: намагниченности или вос5приимчивости - в зависимости от того, по какому параметру откалиброван прибор. С выхода вторичного преобразователя напряжение поступает также в катушку ООС типа колец Гольм0гольца, после которой компенсирует первоначальное угловое отклонение магнита 1 .

Обладая сравнительно- высоки1ли

5 метрологичнскими характеристик 1ми и простотой, известные астатич(ские магнитометры не лишены спрьезных недостатков, главным из которых является низкая точность измерений в ус0ловиях неоднородного внешнего поля.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем первичный преобразователь в виде жестко связанных и подвешенных на растяжках измерительного и астазирующего магнитов, вторичный фотоэлектрический преобразователь, обмотки отрицательной обратной связи и предметный столик для измеряемого образца, измерительный и астазирующий магниты выбраны различными по соотношению их длин и поперечных сечений, совмещены центрами тяжести и осями намагниченности и установлены вблизи двух обмоток последовательно-встречно, включенных в цепь отрицательной обратной связи, оси которых ориентированы в направлении в.озможного перемещения полюсов одного из магнитов,а также тем, что астазирующий магнит выполнен в виде двух, симметрично расположенных относительно измерительного магнита и связанньох с ним с возможностью взаимного осевого перемещения и жесткой фиксации элементов, между концами которых укреплена пластинка с растяжками.

На чертеже показана функциональная схема устройства для определения магнитных свойств веществ.

Первичный преобразователь состоит из измерительного магнита IT выбранного в виде тонкого стержня, астазирующего магнита 2 в виде двух коротких полых цилиндров, пластинки 3 и растяжек 4. Втулка 5, напрессованная на среднюю часть магнита 1, и втулки 6, запрессованные в магнит 2, соединены резьбой. Растяжки 4 прикреплены к пластинке 3 сваркой или пайкой. Пластинка зажата между концами элементов астазирующего магнита. Она выполняет одновременно функции зеркала, необходимого для оптической связи с вторичным преобразователем.

Вблизи полюсов измерительного магнита установлены две катушки 7, оси которых перпендикулярны оси магнита. Концы магнита 1 совпадают с осями катушек и имеют возможность перемещения в направлении этих осей.

Вторичный фотоэлектрический преобразователь состоит из осветительной лампы 8, дифференциально включенных фотодиодов 9 и операционного усилителя 10. К выходу усилителя 10 подключается регистрирующий прибор. К этому же выходу подключен вход цепи отрицательной обратной связи, состоящей из дифференцирующей цепочки 11 и двух обмоток 12, намотанных на катушках 7 и соединенных между собой последовательно-встречно.

Над одним из полюсов магнита 1 укреплен предметный столик 13, который служит для установки и фиксации измеряемого образца 14. Ось симметрии образца проходит через полюс измерительного магнита перпендикулярно к нему.

Устройство крепления и натяжения растяжек на чертеже не показано.

Принцип работы устройства состоит в следующем.

Магнитные моменты магнитов 1 и 2 выбраны равными и ориентированы встречно. Следовательно, первичный преобразователь нечувствителен как к однородным магнитным полям, так и к неоднородным. Последнее обеспечивается тем, что центры симметрии магнитов совмещены. В этом случае суммарный вращающий момент первичного преобразователя определяется выражением.

)o1

где М и М, - магнитные моменты магнитов 1 и 2, Пд - средняя величина напряженности внешнего магнитного поля, отнесенная к точке,совпадающей с центрами магнитов. Так как М М, то Mg,p О при любой конфигурации поля Нд.

Снижение восприимчивости к механическим колебаниям может быть достигнуто путем точного совмещения центра тяжести колеблющейся системы с точкой ее подвеса. В рассматриваемой конструкции это достигается путем поступательного перемещения элементов астазирующего магнита вместе с пластинкой 3 относительно магнита. 1. Резьбовое соедйнение элементов первичного преобразователя используется также для точного подбора астатичности путем изменения расстояния между двумя половинами астазирующего магнита 2 (этим изменяется магнитный момент магнита 2). Для компенсации зазоров используются соответствующие прокладки (на чертеже не показаны). Сила F, действующая на некоторый объем вещества, помещенного в неоднородное магнитное поле, пропорциональна напряженности и градиенту напряженности поля, т.е.

F- н|. (1) Магнитное поле на оси постоянного магнита выражается следующим соотношением

(ff Kfr-- . (2)

где м - магнитный момент магнита X - расстояние от центра магнита до точки, в которой определяется поле 1 - полудлина магнита. Из (2) следует

.10ЙЧ..(|Г.... (3)

При фиксированном положении разца вблизи полюса измерительного

магнита из выражений (2) и (3) видно, что сила, действу1т1цая между образцом и магнитом, зависит от длины последнего. Расчет показывает, что сила, действующая на образец со стороны полюса измерительного магнита, в 36 раз больше, чем со стороны астазируквдего магнита. Таким образом, влияние последнего на чувствительг ность преобразователя может быть сдепано сколь угодно малым, если подобрать соответствующим образом геометрические параметры магнитов.

Образец 14 веществе, установленный на предметный столик, вызывает /гловое отклонение первичного преобразователя, которое преобразуется в электрическое напряжение, регистриt yeMoe аналоговым или цифровым прибоt OM. Ток, пропорциональный выходному напряжению, протекает по обмоткам 12 И создает в них магнитное поле обратной связи. Взаимодействие между обмотками отрицательной обратной связи и полюсами магнита 1 происходит так же, как и с измеряемым образцом только в обратном направлении.

Особенность цепи отрицательной обратной связи состоит в следугещем. Сила, действующая на полюсы магнита 1 со стороны катушек 7, определяется в соответствии с выражением (1). Поскольку вблизи полюсов магнита градиент поля существует во всех направлениях (поле резко неоднородно), то и силовое действие на магнит будет осуществляться во всех направлениях. Тем самым обеспечивается всенаправленная обратная связь: любому перемещению магнита, вызванному, например, механическим воздействием, будет препятствовать сила со стороны катушек отрицательной обратной связи.

Рассмотренным свойством не обладает отрицательная обратная связь, вводимая .посредством катушек типа колец Гельмгольца, полностью охватывающих магнит. В этом случае на магнит воздействует только одна составляющая поля в направлении оси катушки. При этом стабилизируются лишь крутильные колебания магнита: при всех других движениях магнита (наиболее характерным из них являются поперечные колебания первичного преобразователя) он не будет испытывать действие отрицательной обратной связи. Следствием этого является наблюдаемое на

1грактике снижение отношения сигнал/ шум при увеличении глубины отрицательной обратной связи.

Предлагаемое устройство может быть отградуировано либо в абсолютных единицах намагниченности или магнитной восприимчивости, либо в относительных. В последнем случае измерения производят методом сравнения с образцом, магнитные свойства которого известны.

o

В отличие от широко применяемой методики измерения магнитной восприимчивости, в которой используются образцы .с правильной геометрией (куб, цилиндр), в предлагаемом уст5ройстве используются образцы только с одной плоской поверхностью, совпадающий с плоскостью предметного сто,пика.

Формула изобретения

0

1.Устройство для определения магнитных гвойств веществ, содержащее первичный преобразователь в виде жестко связанных и подвешенных на растяжках измерительного и астазиру5ющего магнитов, вторичный фотоэлектрический преобразователь, обмотки отрицательной обратной связи и предметный столик для измеряемого образца, отличающееся тем,

0 что, с целью повышения точности измерений, в нем измерительный и астазирующий магниты выбраны различными

по соотношению их длин и поперечных сечений, совмещены центрами тяжести

5 и осями намагниченности и установлены вблизи двух обмоток последовательно-встречно, включенных в цепь отрицательной обратной связи, оси которых ориентированы в направлении

0 возможного перемещения полюсов одного из магнитов.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что астазирующий магнит выполнен в виде двух,симметрично расположенных относительно

5 измерительного магнита и связанных

с ним с возможностью взаимного осевого перемещения и жесткой фиксации элементов, между концами которых укреплена пластинка с растяжками.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Journal of Physics, . E.Scientifics Instruments, 19/4, 7, П, 4, p. 266-168.

.- .-.....-.:;v. V .