Dispositif pour la mesure d'un champ magnétique
La présente invention, due à M. Charles
Kaplan, est relative à un dispositif pour la mesure d'un champ magnétique, du genre de ceux qui sont utilisés pour la détermination par une seule mesure d'une composante quelconque d'un champ magnétique.
On connaît de tels dispositifs qui contiennent un élément sensible au champ magnétique, et dans lesquels un champ magnétique opposé est créé par un courant traversant un solénoïde qui entoure cet élément sensible, l'intensité du champ étant déterminée par la valeur du courant nécessaire pour ramener au zéro de sa graduation le galvanomètre intercalé dans le circuit de l'élément sensible au champ magnétique.
Un dispositif de ce genre est représenté schématiquement sur la fig. 1. On voit sur cette figure un générateur 1 à courant alternatif qui alimente l'enroulement primaire d'un transformateur 2. 3n et 3b représentent deux solénoïdes identiques, à l'intérieur desquels se trouvent respectivement les noyaux 9a et 9b en alliage ferromagnétique à grande perméabilité initiale, c'est-à-dire un alliage qui se sature pour un très faible champ. Des alliages présentant cette caractéristique sont connus sous le nom de a Mumetal . Une extrémité de chacun de ces solénoïdes est branchée à une borne extrême du secondaire du transformateur 2, tandis que les deux autres extrémités sont réunies au point commun 10.
Entre la prise médiane 11 de l'enroulement secondaire du transformateur 2 et le point commun 10 des deux extrémités des solénoïdes 3a et 3b, est branché un galvanomètre 4 à courant continu, aux bornes duquel est connecté un condensateur 5.
Autour des deux solénoïdes 3a, 3b est enroulé un troisième solénoïde 6 qui sera dénommé ci-après solénoïde de compensation, et qui est branché dans un circuit contenant une source à courant continu 7, un rhéostat de réglage 8, un inverseur 12 et un milliampèremètre 13.
Lorsqu'aucun champ magnétique n'agit sur les noyaux 9a et 9b, ces derniers se saturent symétriquement dans le temps, les courbes de magnétisation de chacun de ces noyaux étant décalées de 180 (, de sorte qu'aucun courant ne traverse la branche 10-11. Si un champ magnétique extérieur agit sur les noyaux 9a et 9b, la composante de ce champ suivant l'axe magnétique de ces noyaux produit une dissymétrie dans la magnétisation des noyaux 9a et 9b, ce qui provoque le passage d'un courant dans la branche 10-11. Ce courant, dont la composante alternative est éliminée par le condensateur 5, fait dévier le galvanomètre 4. L'opérateur fait passer un courant dans le solénoïde 6, de sens et de valeur tels que 1' ai- guille du galvanomètre 4 revienne au zéro de
sa graduation.
Le courant nécessaire dans le
solénoïde 6 pour annuler le courant dans la branche 10-11 est mesuré par le milliampèremètre 13. Ce courant est proportionnel à la
composante du champ suivant l'axe magnéti
que des noyaux 9a et 9b. L'appareil 13 peut
être gradué en gauss (ou en sous-multiple de
gauss), de sorte que la déviation de son ai
guille indiquera directement la composante du champ suivant l'axe magnétique des noyaux
9a et 9b.
Ce dispositif présente l'inconvénient d'exi
ger l'intervention de l'opérateur pour régler le
courant dans le circuit du solénoïde 6, chaque
fois que le champ magnétique détecté vient à
varier.
La présente invention concerne un dispo
sitif pour la mesure d'un champ magnétique
comprenant, d'une part, au moins deux enrou
lements pourvus chacun d'un noyau à grande
perméabilité magnétique initiale et agencés de
manière que le champ à mesurer modifie l'in
ductance d'au moins l'un d'entre eux, et, d'au
tre part, un solénoïde destiné à créer un champ
annihilant ladite modification d'inductance, et
enfin un instrument sensible à une différence
de potentiel dont le signe et la valeur dépendent
de la différence d'inductance des deux dits
enroulements.
Ce dispositif est caractérisé par le fait que
ledit instrument comprend un organe mobile
dont la position est liée à' la grandeur d'un élé
ment variable qui règle le courant dans le cir
cuit dudit solénoïde, de telle manière que cet
organe mobile prend automatiquement une
position d'équilibre pour laquelle ledit courant
produit dans le solénoïde un champ égal et
opposé au champ à mesurer.
Les fig. 2, 3, 4, 5 et 6 ci-annexées repré
sentent, à titre d'exemple, différentes formes
d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 7 représente une forme d'exécution
destinée à la mesure de courant continu à forte
intensité.
La fig. 8 est une variante de la fig. 7.
Sur la fig. 2, où les nombres 1, 2, 3a, 3b,
S, 6, 10, 11, 13 ont la même signification que sur la fig. 1, 14 désigne le cadre mobile dépourvu de couple antagoniste d'un galvanomètre dont l'aimant fixe est 14' et dont l'arbre 15 est solidaire d'un élément variable 16 qui, dans l'exemple représenté, est un condensateur. Le cadre mobile 14 est inséré dans le circuit 10-11 de la même façon que le galvanomètre 4 de la fig. 1. L'une des armatures 17 du condensateur 16 est montée sur l'arbre 15.
Ce condensateur comporte deux armatures fixes, dont l'une, 18, est reliée à un oscillateur 20 qui produit entre cette armature et la masse 22 une tension de haute fréquence, et dont l'autre, 19, est reliée à l'extrémité d'une impédance 21 dont l'autre extrémité est reliée à la masse 22. On obtient ainsi aux bornes de l'impédance 21 une différence de potentiel qui est fonction de la position de l'armature mobile 17 et, par conséquent, fonction de la position du cadre mobile 14. La tension aux bornes de l'impédance 21 est appliquée aux bornes d'entrée d'un amplificateur-détecteur 23, de tout type connu.
La tension continue recueillie aux bornes de sortie de cet amplificateur-détecteur est appliquée à un circuit comprenant le solénoïde 6 et le milliampèremètre 13 (gradué en gauss).
Lorsque le champ magnétique détecté vient à varier, il se produit un courant de déséquilibre dans la branche médiane 10-11 et le cadre mobile 14 dévie dans un sens ou dans l'autre, ce qui fait varier la capacité du condensateur
16, par suite de la déviation de l'armature 17. solidaire du cadre mobile 14. Il en résulte une variation de courant dans l'impédance 21 et par conséquent une variation de tension aux bornes de sortie de l'amplificateur-détecteur 23. Cette variation de tension entraîne une variation de courant dans le solénoïde 6 jusqu'à ce que le champ magnétique, produit par ledit solénoïde 6, compense rigoureusement la composante du champ magnétique extérieur qui a produit une dissymétrie dans la magnétisation des noyaux 9a et 9b.
Lorsque cette compensation est réalisée, le cadre mobile 14 du galvanomètre prend une position d'équili bre stable, à laquelle correspond une valeur bien déterminée du courant qui traverse le solénoïde 6 ét le milliampèremètre 13. On obtient donc ainsi un réglage automatique de ce courant. La déviation de l'aiguille du milliampèremètre 13 indique alors la valeur de la composante du champ magnétique à mesurer.
Dans la variante suivant la fig. 3, le dispositif représenté est le même que celui de la fig. 2, mais les solénoïdes 3a, 3b sont entourés, en outre, par un deuxième solénoïde 6' branché dans un circuit contenant une source à courant continu 31, un rhéostat 32, un inverseur 33 et un milliampèremètre 34.
L'intérêt de cette disposition est de pouvoir, tout d'abord, compenser la composante du champ terrestre suivant l'axe magnétique des noyaux 9a et 9b, ou du champ magnétique dont on veut ultérieurement déceler les variations. Dans l'exemple représenté, le courant dans le circuit du solénoïde 6' est réglé par l'opérateur en agissant sur le rhéostat 32 de façon que l'aiguille du milliampèremètre 13 revienne au zéro de la graduation. Dans ces conditions, l'aiguille du milliampèremètre 13 ne déviera que si le champ magnétique détecté vient à varier. Cette disposition permet d'accroître, dans de fortes proportions, la sensibilité du dispositif.
La valeur du champ total est obtenue à chaque instant en additionnant les indications des deux milliampèremètres 34 et 13.
Dans la variante suivant la fig. 4, le dispositif représenté repose sur le même principe que celui de la fig. 3, mais le circuit servant à compenser la composante du champ terrestre ou du champ magnétique dont on veut déceler les variations (circuit comprenant la source à courant continu 31, le rhéostat 32, l'inverseur 33 et le milliampèremètre 34) est branché en dérivation aux bornes du solénoïde 6. Cette disposition permet de supprimer le deuxième solénoïde, indiqué en 6' sur la fig. 3.
La fig. 5 représente une variante de la forme d'exécution représentée sur la fig. 4. Un shunt universel 101 à prises multiples et une résistance fixe 102 sont branchés en dérivation aux bornes du solénoïde 6. Le shunt universel 101 est en outre inséré dans le circuit de sortie de 1' amplificateur-détecteur 23 en série avec le milliampèremètre 13.
Dans la variante suivant la fig. 6, le solénoïde 6, qui sert à la compensation automatique, n'entoure que le noyau magnétique 9a. Le solénoïde 6' comporte deux enroulements 6'a et 6'b. De cette façon, on peut séparer les deux éléments sensibles et les placer éventuellement à une grande distance l'un de l'autre.
Les deux éléments sensibles sont placés d'abord dans le même champ et on règle le courant dans les enroulements 6'a et 6'b de façon à obtenir le passage au zéro du milliampèremètre 13.
Le dispositif étant ainsi taré, on déplace l'élément sensible comportant le noyau 9a à une certaine distance. Si le champ est le même que précédemment, le milliampèremètre 13 reste au zéro ; dans le cas contraire, il dévie et indique directement l'écart entre les deux champs.
L'élément variable associé au cadre mobile du galvanomètre dépourvu de couple antagoniste (qui, dans les exemples représentés, est l'armature mobile d'un condensateur) pourrait être constitué par l'enroulement mobile d'une bobine d'induction mutuelle placé dans le champ produit par l'enroulement fixe alimenté par du courant alternatif. Cet élément variable pourrait également être un miroir qui renvoie un faisceau lumineux sur une cellule photoélectrique, ou encore un dispositif bolométrique.
La fig. 7 représente schématiquement le dispositif de la fig. 2, utilisé pour la mesure d'un courant continu à forte intensité circulant dans une barre.
Sur cette figure, où les mêmes nombres ont la même signification que dans la fig. 2, B désigne une barre parcourue par un courant continu J à forte intensité. Ce courant continu produit, comme cela est connu, un champ magnétique H, dont les lignes de force sont des circonférences ayant la barre B pour axe. La valeur de ce champ est proportionnelle au courant continu J qui traverse la barre B et inversement proportionnelle à la distance du centre de la barre à l'élément sensible au champ magnétique. La détermination du champ magnétique produit par le courant J qui traverse la barre B permet donc d'obtenir facilement, si l'on connaît la distance du centre de la barre à l'élément sensible au champ magnétique, l'intensité dudit courant.
Dans la fig. 8, les noyaux 9a et 9b, en alliage ferromagnétique à grande perméabilité initiale, sont en forme de tore et entourent la barre B. Ils sont disposés dans des plans parallèles et suivant un axe de révolution commun.
Device for measuring a magnetic field
The present invention, due to M. Charles
Kaplan, relates to a device for measuring a magnetic field, of the kind used for the determination by a single measurement of any component of a magnetic field.
Such devices are known which contain an element sensitive to the magnetic field, and in which an opposite magnetic field is created by a current flowing through a solenoid which surrounds this sensitive element, the intensity of the field being determined by the value of the current necessary to bring back at the zero of its graduation the galvanometer inserted in the circuit of the element sensitive to the magnetic field.
A device of this type is shown schematically in FIG. 1. We see in this figure an alternating current generator 1 which supplies the primary winding of a transformer 2. 3n and 3b represent two identical solenoids, inside which are respectively the cores 9a and 9b of ferromagnetic alloy with high initial permeability, that is to say an alloy which saturates for a very low field. Alloys exhibiting this characteristic are known as a Mumetal. One end of each of these solenoids is connected to an end terminal of the secondary of transformer 2, while the other two ends are joined to common point 10.
Between the middle tap 11 of the secondary winding of transformer 2 and the common point 10 of the two ends of the solenoids 3a and 3b, is connected a direct current galvanometer 4, to the terminals of which a capacitor 5 is connected.
Around the two solenoids 3a, 3b is wound a third solenoid 6 which will be referred to hereinafter as compensation solenoid, and which is connected in a circuit containing a direct current source 7, an adjustment rheostat 8, an inverter 12 and a milliammeter 13.
When no magnetic field acts on the nuclei 9a and 9b, the latter are saturated symmetrically over time, the magnetization curves of each of these nuclei being shifted by 180 (, so that no current crosses the branch 10 -11. If an external magnetic field acts on the cores 9a and 9b, the component of this field along the magnetic axis of these cores produces an asymmetry in the magnetization of the cores 9a and 9b, which causes the passage of a current in branch 10-11 This current, the AC component of which is eliminated by capacitor 5, deflects galvanometer 4. The operator passes a current through solenoid 6, of direction and value such as 1 '. galvano gauge 4 returns to zero of
his graduation.
The current required in the
solenoid 6 to cancel the current in branch 10-11 is measured by milliammeter 13. This current is proportional to the
component of the field along the magneti axis
as nuclei 9a and 9b. The device 13 can
be graduated in Gauss (or in a sub-multiple of
gauss), so that the deviation of its ai
guille will directly indicate the component of the field along the magnetic axis of the nuclei
9a and 9b.
This device has the drawback of exi
manage operator intervention to adjust
current in the circuit of solenoid 6, each
once the detected magnetic field comes to
vary.
The present invention relates to a
device for measuring a magnetic field
comprising, on the one hand, at least two rou
elements each provided with a large
initial magnetic permeability and arranged
so that the field to be measured modifies the in
ductance of at least one of them, and, of
be part, a solenoid intended to create a field
annihilating said modification of inductance, and
finally an instrument sensitive to a difference
of potential whose sign and value depend
the difference in inductance of the two said
windings.
This device is characterized by the fact that
said instrument comprises a movable member
whose position is related to 'the size of an element
variable which regulates the current in the cir
fired of said solenoid, such that this
moving part automatically takes a
equilibrium position for which said current
produces in the solenoid an equal field and
opposite to the field to be measured.
Figs. 2, 3, 4, 5 and 6 annexed represented
feel, for example, different shapes
execution of the object of the invention.
Fig. 7 represents an embodiment
intended for the measurement of direct current at high
intensity.
Fig. 8 is a variant of FIG. 7.
In fig. 2, where the numbers 1, 2, 3a, 3b,
S, 6, 10, 11, 13 have the same meaning as in fig. 1, 14 designates the mobile frame devoid of antagonistic torque of a galvanometer whose fixed magnet is 14 'and whose shaft 15 is integral with a variable element 16 which, in the example shown, is a capacitor. The movable frame 14 is inserted into the circuit 10-11 in the same way as the galvanometer 4 of FIG. 1. One of the armatures 17 of the capacitor 16 is mounted on the shaft 15.
This capacitor has two fixed armatures, one of which, 18, is connected to an oscillator 20 which produces a high frequency voltage between this armature and the ground 22, and the other, 19, is connected to the end of 'an impedance 21, the other end of which is connected to ground 22. A potential difference is thus obtained at the terminals of the impedance 21 which is a function of the position of the movable armature 17 and, consequently, a function of the position of the movable frame 14. The voltage across the impedance 21 is applied to the input terminals of an amplifier-detector 23, of any known type.
The direct voltage collected at the output terminals of this amplifier-detector is applied to a circuit comprising the solenoid 6 and the milli-ammeter 13 (graduated in gauss).
When the detected magnetic field changes, an imbalance current occurs in the middle branch 10-11 and the movable frame 14 deviates in one direction or the other, which varies the capacitance of the capacitor.
16, as a result of the deflection of the armature 17. integral with the movable frame 14. This results in a current variation in the impedance 21 and consequently a voltage variation at the output terminals of the amplifier-detector 23. This voltage variation causes a current variation in the solenoid 6 until the magnetic field, produced by said solenoid 6, rigorously compensates for the component of the external magnetic field which produced an asymmetry in the magnetization of the cores 9a and 9b.
When this compensation is carried out, the mobile frame 14 of the galvanometer takes a stable equilibrium position, to which corresponds a well-determined value of the current which passes through the solenoid 6 and the milli-ammeter 13. An automatic adjustment of this current is thus obtained. . The deviation of the needle of the milli-ammeter 13 then indicates the value of the component of the magnetic field to be measured.
In the variant according to FIG. 3, the device shown is the same as that of FIG. 2, but the solenoids 3a, 3b are surrounded, in addition, by a second solenoid 6 'connected in a circuit containing a direct current source 31, a rheostat 32, an inverter 33 and a milliammeter 34.
The advantage of this arrangement is to be able, first of all, to compensate for the component of the terrestrial field along the magnetic axis of the cores 9a and 9b, or of the magnetic field the variations of which one wishes to subsequently detect. In the example shown, the current in the circuit of the solenoid 6 'is adjusted by the operator by acting on the rheostat 32 so that the needle of the milliampere meter 13 returns to the zero of the graduation. Under these conditions, the milliammeter needle 13 will only deflect if the detected magnetic field changes. This arrangement makes it possible to increase, in large proportions, the sensitivity of the device.
The value of the total field is obtained at each instant by adding the indications of the two milli-ammeters 34 and 13.
In the variant according to FIG. 4, the device shown is based on the same principle as that of FIG. 3, but the circuit used to compensate for the component of the terrestrial field or of the magnetic field whose variations are to be detected (circuit comprising the direct current source 31, the rheostat 32, the inverter 33 and the milliamperemeter 34) is connected in bypass at the terminals of the solenoid 6. This arrangement makes it possible to eliminate the second solenoid, indicated at 6 'in FIG. 3.
Fig. 5 shows a variant of the embodiment shown in FIG. 4. A universal shunt 101 with multiple taps and a fixed resistor 102 are branched across the terminals of the solenoid 6. The universal shunt 101 is further inserted into the output circuit of the amplifier-detector 23 in series with the milliammeter 13. .
In the variant according to FIG. 6, the solenoid 6, which serves for automatic compensation, only surrounds the magnetic core 9a. The solenoid 6 'has two windings 6'a and 6'b. In this way, we can separate the two sensitive elements and possibly place them at a great distance from each other.
The two sensitive elements are placed first in the same field and the current is adjusted in the windings 6'a and 6'b so as to obtain the zero crossing of the milliamperemeter 13.
The device being thus calibrated, the sensitive element comprising the core 9a is moved to a certain distance. If the field is the same as before, milli-ammeter 13 remains at zero; otherwise, it deviates and directly indicates the difference between the two fields.
The variable element associated with the movable frame of the galvanometer devoid of antagonistic torque (which, in the examples shown, is the movable armature of a capacitor) could be constituted by the movable winding of a mutual induction coil placed in the field produced by the fixed winding supplied with alternating current. This variable element could also be a mirror which reflects a light beam onto a photoelectric cell, or even a bolometric device.
Fig. 7 schematically represents the device of FIG. 2, used for measuring a high current direct current flowing in a bar.
In this figure, where the same numbers have the same meaning as in fig. 2, B designates a bar traversed by a direct current J at high intensity. This direct current produces, as is known, a magnetic field H, the lines of force of which are circumferences having the bar B as an axis. The value of this field is proportional to the direct current J which crosses the bar B and inversely proportional to the distance from the center of the bar to the element sensitive to the magnetic field. The determination of the magnetic field produced by the current J which passes through the bar B therefore makes it possible to easily obtain, if the distance from the center of the bar to the element sensitive to the magnetic field, the intensity of said current is known.
In fig. 8, the cores 9a and 9b, made of a ferromagnetic alloy with high initial permeability, are in the form of a torus and surround the bar B. They are arranged in parallel planes and along a common axis of revolution.