Устройство для измерения магнитных свойств веществ Советский патент 1981 года по МПК G01R33/02 

1

изобретение относится к приборам для исследования физических свойств и может быть использовано при создании установок, в частности, для иссле- j дования веществ с использованием магнитного резонанса.

Для исследоваиия физических характеристик веществ в ряде случаев не- обходимы скпыме магнитные поля, ко- JQ торые могут быть получены с помсйдью сверхпроводящих магнитных систем.

Известно устройство, содержш ее cвepxпpoвojD яa ий (СП) соленоид, основная обмотка которого подключена к ис . точйику питания, а дополнительная включена к эталонному резистору и блоку регулирования, последовательна совдйнёяйому с усилителем постоянного тока (УПТ) и генератором развертки, выходной сигнал генератора разверт- Л ки сравнивается на входе УПТ с ааход шм сягиалом су|««ирую1дего усилителя. Усняенмаий сигнал разности поступает на рхоя блока регулирования, нагруз- кой является дополнительная обмогка я эталонмай резистор, uasff Hite напряжения на указанном резисторе поступает на вход суммируювдаго усилителя, работаимего в режиме нуль;Органа, сравнивается в нем с напря- л

жением источника опорного напряжения, ВЫХОДНОЙ сигнал поступает на регистрирующий прибор и на вход УПТ.

В процессе эксперимента сканирование (развертку) поля, необходимое .для обнаружения и оценки резонансных явлений в образце, осуществляют дополнительной СП обмоткой, расположенной в соленоиде.

Для увеличения зоны обнаружения резонансного сигнала и совмещения центра его с началом отсчета развертывающего поля (Нр) на измерительнсж приборе, дополнительно смещают постоянное магнитное поле на величину И (в см) путем изменения тока в дополнитёд1ьнсй1 обмотке. В процессе работы синхронно с изменением магнитного поля развертки -изменяется положение индикатора регистрирующего прибора вдоль координаты X. При достижении необходимой величины поля по каналу (координата У) на регистрирующий прибор поступает сигнал магнитного резонанса llj.

Однако в процессе измерения из-за одноаременной работы каналов развертки и сдвига, вследствие коммутгщионных выбросов, ток в обмотке может превысить критическое значение, а

возрастание регулируквдего параметра (поля) выше номинального значения может вызвать структурные изменения в исследуемом образце.

Цель изобретения - повьааение надежности.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство, содержащее последовательно соединенные генератор развертки и peгyлиpye й масштабный резистор, блок регулирования на выходе которого включен объект регулирования, усилитель, вход которого соединен с объектом регулирования и блоком задания смещения, а выход усилителя и регистрирукщий прибор последовательно соединенные резистор и регулируелйлй масштабный резистор подключены к выходу генератора развертки, дополнительно введены ключ, последовательно соединенные масштабный усилитель d регулятором коэффициента усиления, и блок сравнения, а один из элементов регулирования, например блок регулирования, снабжен интегрирующим звеном, при этом ключ подключен ко входу блока регулирования и через регулйруемай масштабный резистор - к выходу генератора развёртки, вход масштабного усилителя подключен к выходу усилителя, выход масштабного усилителя соединен с регистрирующим прибором, ко второму входу блока сравнения подключен выход генератора развертки, а выход блока сравнения через переключатель- сблокированный с ключом соединен с генератором развертки, а регулятор коэффициента усиления сблокирован с регулятором первого резистора.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит объект регулирования, в качестве которого Б данном случае выступают обмотка 1 соленоида и эталонный резистор 2. Вход объекта регулирования подключен к последовательно соединенным блоку 3 регулирования, ключу 4, масштабному резистору 5, генератору б развертки и переключателю 7, нормально открыты контакт которого соединен с выходом блока 8 сравнения. Переключатель 7 сблокирован с ключом 4. Выход упомянутого Ьбъекта регулирования через резистор 9 соединен со входом усилителя 10 и резистором 11, подключенным к блоку 12 Сдвиг задания смешения . выход усилителя 10 соединен со входом масштабного усилителя 13 и через резистор 14 подсоединен к точке соединения резистора 5 и ключа 4. Усилитель 13 имеет регулятор 15 коэффициента усиления, который сблокировав) с регулятором резистора 5.

Выход усилителя 13 соединен d регистрирукадим прибором 16 и первым

входом блока 8 сравнения, второй вхо которого соединен с выходом генератора 6 развертки.

В исходном положении после включения питания ключ 4 и переключатель 7 находятся в положении I. Напряжения на выходе генератора б развертки в качестве которого может применяться интегратор, и на выходе блока Сдвиг задания смещения равны нулю, Соответственио и ток в катушке соленоида .тоже равен нулю. Для того, чтобы обнаружить полезный сигнал (линию резонанса), какправило, с помощью ручки регулировки резистора Б Масштаб выбирают максимальную амплитуду развертки тока катушки и запускают генератор б развертки. Напряжение с выхода генератора б развертки через резистор 5 поступает на вход форм({рователя закона регулирования блока 3 регулирования, где сравнивается с Ейыходным напряжением усилителя 10, 11одаваё1цым на вход блока 3 регулирования через резистор 14. Усиленный блоком 3 сигнал разности подается в Цепь обмотки 1 соленоида и эталонного резистора 2.

Падение напряжения на эталонном резисторе 2, подаваемое через резистор 9 на вход усилителя 10, сравнивается с напряжением блока Сдвиг 1 задания смещения, подаваемого через резистор 11. Выхсэдной сигнал усилителя 10 подается через резистор 14 на вход блока 3 регулирования и, кроме того, усиленный масштабным усилителем 13, поступает на регистрирующий прибор 16. Величина напряжения, поступающего на вход регистрирующего прибора 16, определяется выражением

U IP- R а- к,о- к,з,

где R, - величина эталонного резистора;

К. - коэффициент уснления усилителя 10;

то же, для усилителя 13, ip - ток развертки. Ток через обмотку 1 соленоида.и пропорциональное ему падение напряжения на эталонном резисторе 2 изменяются линейно. Величина тока развертки определяется выражением Т - Цвьцб

0

выходное напряжение усилителя 10;

-выходное напряи

ВИХб жение генератора б развертки;

R.

-сопротивления резисторов 14, 5 и 2.

оэф фяцяеНт усиления усилителя 13 ) бпределен положением рукоятки лятора 15, сблокированной с рукояткой регулировки величины резистора 5, и меняется согласно выражению K.j 14 Коэффициент усиле ния усилителя 10 () выбран таким чтобы при Любом положении рукоятки резистора 5 Масштаб выполнялось у ловив - Вм«б Ц г 40 ъ вмх1 или UftlH14fe т n и , wriiK . .-.n in Н-- K,Q s т.е. напряжение на входе X регистрирующего прибора 16 всегда рав по величине и изменяется синхронно с величиной напряжения на выходе ге нератора 6 развертки. Амплитуда выходного напряжения генератора вьгбрана постоянной и ной по величине пределу измерения п координате X прибора 16, Одним пово ротом рукоятки Масштаб изменяется масштаб прибора 16 и амплитуда развертки поля (тока), что способствуе сокращению времени измерения. Так как формирователь закона регулирова ния (ФЗР) блока 3 регулирования вме те с объектом регулирования имеют в своём составе интегральное звено, то потенциал точки а равен нулю. На пример, для случая, когда в качестве объекта регулирования выбран СП соленоид, потенциал точки с| определяется выражениек Ua UM где УЛ Ti падение напряжения на обмотке 1; - передаточная функ ция ФЗР; . L - индуктивность обмот ки соленоида; и„ - падение напряжения на этсшонном резисторе 2. Для упрощения рассмотрения выражения {Л) предложим, что ФЗР имеет только интегральное звено, тогда потенциал точки о определяется и .- JfiLiJLft. Гц .11 -г р а 1/ТцР г к2мР где Ту - время интегрирования ФЗР; Р - Ц) - угловая частота. При остановке развертки UQ О, так как и; 0. Размыкание ключа 4 (положение и) переводит интегратор ФЗР в режим х1Е анения набранного значения, что приводит к фиксации тока (поля) соленоида. Если объект регулирования имеет в С9оем составе интегральное звено, то из состава ФЗР интегральное звено можно исключить. Т.е. ФЗР может Лать представлен просто усилителем с таким коэффициентом усиления, чтобы . раэсшкании ключа 4 в этси4 случае в реясим хранения переводите и1Гтегральное звено объекта регулирования. Если размыкание ключа 4 произвести в момент наблкздения резонансных явлений на приборе 16, то условия резонанса зафиксируются. При разомкнутом ключе 4 любые манипуляции с сигналами управления не приводят к флуктуациям регулируемого параметра, т.е. можно осуществлять операции компенсации и смещения луча (стрелки) прибора 16 в центр шкалы или в любую интересующую точку шкалы, что происходнт благодаря синхронному переводу переключателя 7 в положение II. Переключатель 7 подключает ко входу генератора 6 развертки блок 8 сравнения . в результате генератор развертки 6 работает в режиме инерционного Звена, передаточная функция которого определяется выражением Т ТР/КСС где Т - постоянная времени интегратора;,- коэффициент передачи блока сравнения; Р - оператор Лапласеа. Вращая ручку блока 12 поля Сдвиг заданий смещения, положение которой отградуировано в единицах измерения поля соленоида, смещают луч (каретку) прибора 16 по координате X в нужное (удобное) по;юженне, так как напряжение на выходе усилителя 10 определяется выражением Uewifo - )- U - пгщение напряжения на зталонном резисторе; и - напряжение компенсации (сдвига); К - коэффициент усиления усилителя 10. При равенстве UR и (-U) напряжение на выходе усилителей 10 и 13 равно нулю (UB,, llebix-i). Таким образом, производят компенсаьцию напряжения, поступающего с резистора 2, пропорционального току развертки, эталонньш напряжением блока 12 Сдвиг задания смещения. Одновременно по положению регулятора определяют величину поля, при котсфом наблкодается резонанс. переводе переключателя 7 в положение II постоянная временя генератора б раэверткя уменьш |ется до такой величины, что при максимгшьно возможном Я11стродействии оператора, анипулирующего рукояткой Сдвиг, выполняется усаовие «ВМЯП- ймхб. т.е. W - 1 пагсздгфя этому потенцигш точки а с г«$ется равным нулю при любом поло еяии ручек Масяятаб и Сцвиг, что ет{чгдяо доказать UbMHIQ- Ру «r «Н4 и JbL - в«х.о- -fe ВМЯЧО Ч де Uuj,Т.е. возврат ключа 4 и переключателя 7 в положение 1 после всех манипуляций для системы регулирования происходит безударно, не вызывая выбросов регулируемого параметра.

В исходном положении на выходе генератора б развертки - нуль, на выходе Сдвиг - .нуль, переключатель 7 и ключ 4 в положении 1. Выбрав требуемый масштаб развертки (амплитуду развертки), выбирают максимально допустимую скорость, запускают генератор 6 и обнаруживают явление резонанса (прописывают линию или спектр линий). Если оператора интересует величина поля, при которой возник резонанс, развертку поля останавливают на резонансной линии, переводя ключ 4 и переключатель 7 в положение tI, Вращая рукоятку Сдвиг, совмещают максимум резонансной линии с началом отсчета, при этом для повышения точности переключают Масштаб не теряя выбранную точку резонансной линии с экрана регистрирующего прибора 16. Отсчет ведется по положению рукоятки Сдвиг, форму линии наблюдают, вернув -жлюч 4 в положение 1 и запустив еще раз генератр б развертки, предварительно выбрав масштаб развертки таким, чтобы изображение занимало как можно больший учасtoк шкалы X регистрирующего прибора 16, Отсчет ШИРИНЫ резонансной линии удобней вести по шкале, определяя согласно формуле

Н N М ,

где Н - ширина линии; N - длина участка шкалы регистрирующего прибора 16; М - масштаб развертки. Точность измерения магнитногр поля повьшается при использовании соленоида, состоящего из двух обмоток, одна из которых переводится в режим. замороженного тока в момент наблкщеВИЯ резонансных явлений в образце, находящемся в известных резонансных условиях.

Применение предлагаемого устройства позволяет свести к минимуму выбросы регулируемого параметра при переключении масштабов развертки ив п Ьцессе измерения поля (тока), исключить аварийные ситуации за счет того, что введенный в Схему ключ 4 , пе1реводит в режим хранения интегратор контура регулирования, а переключатель 7, блок 8 сравнения и масшта:бный усилитель 13, обеспечивая синхронность изменения напряжения на входе регистрирующего прибора 16 и выходе генератора 6 развертки, по звойяют безударное за ыканив (разьыкйняё) контура регулирования. Кроме того, п1 именение предлагаемого устройства позволяет сократить время измер.ния за счет исключения многок1эатного повторения циклов развертки в процессе измерения или смещения резонансной линии по экран/ регистрирующего прибора. Для достижения устойчивой работы устройства и расширения области применения в контур регулирования введен блок регулирова- ния в виде пропорвионально-интегрально-дифференциальиогр звена с независимой регулировкой коэффициентов

л динамической настррйки каждого зЛемента звена от.нуля до максимума, что позволит использовать его в качестве регулятора и измерителя практически любых физических величин. Если на объект регулирования не наS ложены какие-либо ограничения или при ограниченной скорости развертки требуются малые амплитуды развертки регулируемого параметра, смещение изображения по экрану регулирующего

0 прибора 16 можно осуществлять без разкблкания ключа 4, задав малый период повторения развертки.

Формула изобретения

Устройство для измерения магнитных свойств веществ, содержащее последовательно соединенные генератор развертки и ре.гулируе№лй масштабный резистор, блок регулирования, на выходе которого включен объект регулирования усилитель, вход которого соединен с объектом регулирования и блоком задания смещения, а выход усилителя и регистрируняций прибор

5 через последовательно соединенные резистор и регулируемый масштабный резистор подключены к выходу генератора развертки, отличающее с Я тем, что, с целью повышения надежности, в него дополнительно введены ключ, последовательно соединенные масштабный усилитель с регулято хэм коэффициента усиления и блок сравнения, а один из элементов регулирования, на1пример блок регулирования, снабжен интегрирующим звеном, при этом ключ подклю чеи ко входу блока регулировайия и через регули- , руемьай масштабньШ резистор - к выходу генерат.ора развертки, вход масв штабного усилителя подключен к выходу усилит ЛЯ, выкод масштабного усилителя соединен с регистрирующим прибором, ко второму входу блока сравнения п эдключен выход генератора разS вертки, а выход блочка сравнения через {Переключатель, сблокированный с ключ(м, соединен с генератором развертки, а регулятор коэффициента усилений сблбкярован с регулятором перл jBoro | взистора.

Источники информации, принятые во вииман}1е при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР но эаявке 2548019/21, Kgi JE Oi И 33/02, 1978.