CN111933382A - 一种磁化/退磁装置及产生磁化/退磁磁场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁化/退磁装置及产生磁化/退磁磁场的方法。包括输出电压可调的直流电源U，储能电容C1和C2，可控硅开关Q，断路器S0，S3，S4，S5，双刀双掷开关S1，S2，二极管D1，D2，D3，D4，线圈L，电阻R1，R2，R3，保险管F；通过对两个电容的切换控制，实现了用同一个线圈产生磁化脉冲场和交流退磁场，利用可控硅电流过零自动关断的特性简化控制；又保证了两个电容仅仅承受单向压降，提高装置的灵活性和可靠性。

Description

一种磁化/退磁装置及产生磁化/退磁磁场的方法

技术领域

本发明属于磁化/退磁领域，涉及一种对地面岩石矿物以及海底底质等进行磁化/退磁的一种磁化/退磁装置及产生磁化/退磁磁场的方法。

背景技术

对地面岩石矿物以及海底底质的磁学特性的研究是地质探测的一个重要方面，能够为生态环境研究提供理论依据，能够为地质结构成因分析提供可靠支撑，对资源的开发和利用也有重要意义。对岩石矿物进行磁化/退磁是对其进行磁学特性分析的重要一步，目前磁化/退磁装置大多是独立的，磁化过程和退磁过程需要用不同的设备分开进行，操作不便，此外，目前市面上的磁化装置磁化场强也不高，磁化/退磁装置结构比较复杂，价格昂贵。

发明内容

针对当前磁化/退磁装置的不足，本发明提出了一种磁化/退磁装置及产生磁化/退磁磁场的方法。本发明的磁化/退磁电路使用同一个线圈，通过开关的切换，产生脉冲磁化场和交流退磁场。

本发明的技术方案为一种磁化/退磁装置，包括输出电压可调的直流电源U，储能电容C1和C2，可控硅开关Q，断路器S0，S3，S4，S5，双刀双掷开关S1，S2，二极管D1，D2，D3，D4，线圈L，电阻R1，R2，R3，保险管F；

直流电源U的输出电压正极经过一个保险管F和断路器S0连接到节点a，直流电源负极连接到节点b；双刀双掷开关S1中间连接点的第一个端点连接节点a；S1的中间连接点的第二个端点连接节点b；双刀双掷开关S1第一对连接点的第一个端点连接节点c，第一对连接点的第二个端点连接节点e，双刀双掷开关S1第二对连接点的第一个端点连接节点d，第二对连接点的第二个端点连接节点f；双刀双掷开关S2中间连接点的第一个端点连接节点g；双刀双掷开关S2的中间连接点的第二个端点连接节点h；双刀双掷开关S2第一对连接点的第一个端点连接节点c，第一对连接点的第二个端点连接节点e，双刀双掷开关S2第二对连接点的第一个端点连接节点f，第二对连接点的第二个端点连接节点d；储能电容C1的正极连接到节点c，储能电容C1负极连接到节点e；储能电容C2正极连接到节点d，储能电容C2的负极连接到节点f；二极管D1的阴极连接节点g，D1的阳极和电阻R1以及断路器S3串联后连接到节点h；可控硅Q阳极连接节点g，阴极连接节点i；二极管D2阴极连接节点g，D2阳极和断路器S4串联后连接到节点i，线圈L两端连接节点h和节点i；高压防雷击二极管D3、D4反向串联后和电阻R2串联，一端接节点i，另一端接节点h，电阻R3与断路器S5串联后连接在节点h和节点i之间。

进一步的，所述直流电源为高压直流电源，经过逆变、整流、滤波处理得到的直流高压，输出电压的大小能够通过控制逆变电路中开关管的导通角而改变；所述的高压是指输出电压最高值为3～20kVDC。

进一步的，所述储能电容C1和C2为高压电容，是单极性电容器或交流电容器；所述高压电容的耐压值为3～20kVDC。

根据本发明的另一方面，提出一种利用上述磁化/退磁装置产生磁化/退磁磁场的方法，其特征在于：其用于产生单向脉冲磁化场，包括正向脉冲磁场、负向脉冲磁场；

产生正向脉冲磁场的步骤为：

初始状态设定为断路器S0、S3闭合，S1和S2接通第一对连接点，断路器S4和S5断开，给定高压直流电源输出电压V，高压直流电源开始给储能电容C1充电，等储能电容C1上电压达到V后断开S0，触发可控硅Q使得储能电容C1通过线圈L开始放电，当储能电容C1上电压降低为零时S2接通第二对连接点，L中的电流对C2充电同时经过R1放电，当放电回路中的电流过零，也即L中的电流过零时，可控硅Q自动关断，线圈L上产生一个正向脉冲磁化场；

产生负向脉冲磁场的步骤为：

初始状态设定为断路器S0闭合，S1和S2接通第二对连接点，断路器S3、S4和S5断开，给定高压直流电源输出电压V，高压直流电源开始给储能电容C2充电，等储能电容C2上电压达到U后断开S0，闭合断路器S4使得C2通过L、D2开始放电，当储能电容C2上电压降低为零时S2接通第一对连接点，线圈L上产生一个负向脉冲磁化场。

进一步的，将正向脉冲磁化场和负向脉冲磁场按照时间顺序任意组合，产生不同的脉冲磁化场序列。

本发明还提出一种利用上述磁化/退磁装置进行退磁的方法，其产生交流退磁场的方法为：

步骤1：初始状态为断路器S0、S4闭合，S1和S2接通第一对连接点，S3和S5断开；

步骤2：设定高压直流电源输出电压V，高压直流电源开始给储能电容C1充电，等储能电容C1上电压达到V后断开S0；

步骤3：触发可控硅Q使得储能电容C1通过线圈L开始放电，当储能电容C1上电压降低为零时S2接通第二对连接点，储能电容C2上电压先上升后下降，当储能电容C2上电压降低为零时S2接通第一对连接点，储能电容C1上电压开始上升直到不再上升整个电路中电流为零，实现了一个周期衰减的正弦波退磁磁场；

步骤4：当退磁磁场需要多个正弦波磁场，闭合S0设定输出电压对储能电容C1进行充电，等充电完成后断开S0；

步骤5：重复步骤3，4，获得新一个周期衰减的正弦波退磁磁场，以此类推，获得交流退磁磁场。

进一步的，步骤5中，当储能电容C1或者储能电容C2上的电压与零的差值小于预定阈值，退磁磁场结束；所述预定阈值为10V。

进一步的，通过改变高压直流电源输出电压的大小以改变磁化\退磁场的峰值，在每次磁化和退磁后用磁传感器采集样品的磁学数据，实现对样品的磁学特性的测量。

进一步的，用于对岩石、矿物以及海底底质进行磁化和退磁。

有益效果：

本发明是针对目前磁化/退磁电路的不足提出的，实现了用同一电路产生脉冲磁化场和交流退磁场，利用可控硅电流过零自动关断的特性简化控制，两个电容在电路中仅仅承受单向压降，使得在本电路中电容可以采用单极性直流电容，这样这个电路就可以保护电容器，防止电容器击穿，电路结构简单，产生的脉冲磁化场场强和交流退磁场。

附图说明

图1是本发明的高压电源电路图；

图2是本发明的磁化/退磁电路原理图；

图3是本发明的磁化阶段的放电电流波形；

图4是本发明的退磁阶段的放电电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明电路的工作原理为：一般用于岩石或者矿物质磁化/退磁磁场需要较高的瞬时放电功率，而高压大功率电源成本很高，本发明采用的是高电压储能电容放电产生所需的磁化/退磁磁场。本发明中的高压电源是一种高压电容充电电源，可以具有较小的功率。可以是通过对12V、24V或者48V直流电源进行逆变、整流、滤波处理得到的高压直流电压，输出电压的大小可以通过控制逆变、整流电路中开关管的导通角改变。电源用于给高压储能电容充电，充电电压V不同，电容储存的能量也不同，表达式如下：

其中W表示电容存储的能量，C为电容的容值。

如图1所示电路，根据本发明的一个实施例，高压直流电源的输入为48VDC蓄电池，进行逆变、整流、滤波处理得到的高压直流电压，输出电压的大小可以通过控制逆变、整流电路中开关管的导通角改变，输出电压最高值为3-20kVDC。

根据本发明的一个实施例，本发明的电路连接如图2所示。电路中线圈L大小为8mH，线圈电阻为0.25欧姆，性能指标符合产生1T的磁场的要求。根据(1)～(6)计算，本发明选择磁C1，C2为8mF耐压值为5kVDC的单极性电容。高压直流电源其输出电压可调，其正极经过一个保险管F和断路器S0连接到节点a，高压直流电源负极连接到节点b；双刀双掷开关S1中间连接点的第一个端点连接节点a；S1的中间连接点的第二个端点连接节点b。S1第一对连接点的第一个端点连接节点c，第一对连接点的第二个端点连接节点e，S1第二对连接点的第一个端点连接节点d，第二对连接点的第二个端点连接节点f。双刀双掷开关S2中间连接点的第一个端点连接节点g；S2的中间连接点的第二个端点连接节点h。S2第一对连接点的第一个端点连接节点c，第一对连接点的第二个端点连接节点e，S2第二对连接点的第一个端点连接节点f，第二对连接点的第二个端点连接节点d。高压储能电容C1的正极连接到节点c，C1负极连接到节点e；高压储能电容C2正极连接到节点d，C2的负极连接到节点f。二极管D1的阴极连接节点g，D1的阳极和电阻R1以及断路器S3串联后连接到节点h；可控硅Q阳极连接节点g，阴极连接节点i；二极管D2阴极连接节点g，D2阳极和断路器S4串联后连接到节点i，线圈L两端连接节点h和节点i。高压防雷击二极管D3、D4反向串联后和电阻R2串联，一端接节点i，另一端接节点h。电阻R3与断路器S5串联后连接在节点h和节点i。

本发明的电路可以产生正向脉冲磁化场或者负向脉冲磁化场。具体过程如下：产生正向脉冲磁化场：磁化阶段需要产生一个强脉冲磁化场。设定断路器S0、S3闭合，S1和S2接通第一对连接点，断路器S4和S5断开，给定高压模块输出电压V，高压模块开始给电容C1充电，充电完毕后，断开充电回路，即断开断路器S0，给可控硅Q提供触发信号使其导通，C1通过线圈L开始放电，当C1上电压降低为零时S2断开第一对连接点同时接通第二对连接点，L中的电流对C2充电同时经过R1放电，当放电回路中的电流过零，也即L中的电流过零时，可控硅Q自动关断，电路产生一个单向的脉冲磁化场。

产生反向的脉冲磁化场：初始状态设定为断路器S0闭合，S1和S2接通第二对连接点，断路器S3、S4和S5断开，给定高压模块输出电压V，高压模块开始给电容C2充电，等电容C2上电压达到V后断开S0，闭合断路器S4使得C2通过L、D2开始放电，当C2上电压降低为零时S2接通第一对连接点，C1电压开始上升，电路产生一个负向脉冲磁化场。

可以根据需要将正向脉冲磁化场和负向脉冲磁场任意组合。

根据电容充放电原理，放电回路中产生电流瞬时值可由下式求得：

其中V表示电容两端电压，R为放电回路总电阻，L为放电回路线圈电感值，ω为放电回路谐振角频率，其表达式为：

当时间为t₀时，电流达到最大值i_max：

若线圈为圆形线圈，当电流流过线圈时，产生的磁场如下：

其中，B为线圈产生的磁场强度，N为线圈匝数，r为线圈半径，I为线圈通过的电流值，μ₀为线圈中介质的磁导率。根据公式(1)～(6)即可以根据所需要的脉冲磁场的大小设计线圈、选择电容值及充电电压的大小。当线圈为其他形状时，可以通过计算、仿真、实验等方法确定。

交流退磁场的产生；

退磁阶段需要产生交流退磁场，通过双刀双掷开关S1和S2的互补通断，使C1和C2仅仅承受单向的压降保护高压电容器不被损坏。

设定断路器S0、S4闭合，S1和S2接通第一对连接点，S3和S5断开；设定高压模块输出电压V开始给电容C1充电，等电容C1充电完毕后断开S0。第一次触发可控硅Q使得C1通过线圈L开始放电，当C1上电压降低为零时S2接通第二对连接点，C2上电压先上升后下降，当C2上电压降低为零时闭合S2接通第一对连接点，C1上电压开始上升直到不再上升，整个电路中电流为零，实现了一个周期衰减的正弦波退磁磁场。必要时可以闭合S0设定V对C1进行充电，等充电完成后断开S0。第二次触发可控硅Q重复第一次触发可控硅Q后的过程，获得第二个周期衰减的正弦波退磁磁场，以此类推，直到C1或者C2上的电压降低接近为零，退磁场结束。

可以通过改变的高压模块输出电压的大小以改变磁化\退磁场的最大值，并在每次磁化或者退磁后测量样品的磁场获得样品的磁学数据。

根据本发明的一个实施例，利用本发明的电路和磁化方法对矿石进行磁化，过程如下：设定断路器S0、S3闭合，S1和S2接通第一对连接点，断路器S4和S5断开，给定高压模块输出电压V，高压模块开始给电容C1充电，充电完毕后，断开充电回路，即断开断路器S0，给可控硅Q提供触发信号使其导通，C1通过线圈L开始放电，节点c处有电压过零检测电路，当C1上电压降低为零时S2断开第一对连接点同时接通第二对连接点，L中的电流对C2充电同时经过R1放电，当放电回路中的电流过零，也即可控硅Q中的电流过零时，可控硅Q自动关断，电容C2上的能量通过D1，R1，S3进行释放，直到放电完毕。电路产生一个单向的脉冲磁化场。形成如图3所示的一个脉冲的放电电流，根据电流与场强的关系，形成脉冲磁化场。为使矿石达到饱和磁化，可多次重复以上步骤，如图3所示，每次增大给储能电容充电的电源电压，从而增强脉冲磁化场场强，直至矿石达到磁化饱和。

根据本发明的有一个实施例，现对交流退磁场的电流波形进行说明。本发明提出的磁化/退磁电路，其交流退磁场实现方法为：设定断路器S0、S4闭合，S1和S2接通第一对连接点，S3和S5断开；设定高压模块输出电压开始给电容C1充电，等电容C1充电完毕后断开S0。第一次触发可控硅Q使得C1通过线圈L开始放电；当C1上电压降低为零时S2接通第二对连接点，线圈L上的电流对电容C2进行充电，C2电压开始上升直到通过线圈L的电流降低为零，L中电流波形如图4中0～t2段。此时可控硅Q自动断开，电容C2上的能量通过D2，S4进行释放，C2电压开始下降，线圈L中开始通过反向电流。当C2上电压降低为零时S2接通第一对连接点，C1上电压开始上升直到不再上升整个电路中电流为零，L中电流波形如图4中图t2～t4段。时间从0到t4实现了一个周期衰减的正弦波退磁磁场。第二次触发可控硅Q重复第一次触发可控硅Q后的过程，获得第二个周期衰减的正弦波退磁磁场，以此类推，直到C1或者C2上的电压降低接近为零，退磁场结束。整个过程中，C1、C2只承受单向压降，很好的保护了电容器，可控硅Q反并联二极管D2，给C2提供了放电回路，电流波形不会出现断续的现象，直到电流衰减到零。为使样品的剩磁接近为零，可多次重复以上退磁步骤，每次给高压电容充电的电源电压V逐渐增大，退磁场场强随之增大，直至样品剩磁接近为零。

逐次改变的高压模块输出电压的大小以改变磁化\退磁场的峰值，比如每次增加100V磁在0～3kVDC之间测量30个点，在每次磁化和退磁后用磁传感器采集样品的磁学数据，实现对样品的磁学特性的测量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种磁化/退磁装置，其特征在于：包括输出电压可调的直流电源U，储能电容C1和C2，可控硅开关Q，断路器S0，S3，S4，S5，双刀双掷开关S1，S2，二极管D1，D2，D3，D4，线圈L，电阻R1，R2，R3，保险管F；

直流电源U的输出电压正极经过一个保险管F和断路器S0连接到节点a，直流电源负极连接到节点b；双刀双掷开关S1中间连接点的第一个端点连接节点a；S1的中间连接点的第二个端点连接节点b；双刀双掷开关S1第一对连接点的第一个端点连接节点c，第一对连接点的第二个端点连接节点e，双刀双掷开关S1第二对连接点的第一个端点连接节点d，第二对连接点的第二个端点连接节点f；双刀双掷开关S2中间连接点的第一个端点连接节点g；双刀双掷开关S2的中间连接点的第二个端点连接节点h；双刀双掷开关S2第一对连接点的第一个端点连接节点c，第一对连接点的第二个端点连接节点e，双刀双掷开关S2第二对连接点的第一个端点连接节点f，第二对连接点的第二个端点连接节点d；储能电容C1的正极连接到节点c，储能电容C1负极连接到节点e；储能电容C2正极连接到节点d，储能电容C2的负极连接到节点f；二极管D1的阴极连接节点g，D1的阳极和电阻R1以及断路器S3串联后连接到节点h；可控硅Q阳极连接节点g，阴极连接节点i；二极管D2阴极连接节点g，D2阳极和断路器S4串联后连接到节点i，线圈L两端连接节点h和节点i；高压防雷击二极管D3、D4反向串联后和电阻R2串联，一端接节点i，另一端接节点h，电阻R3与断路器S5串联后连接在节点h和节点i之间。

2.根据权利要求1所述的一种磁化/退磁装置，其特征为：

所述直流电源为高压直流电源，经过逆变、整流、滤波处理得到的直流高压，输出电压的大小能够通过控制逆变电路中开关管的导通角而改变；所述的高压是指输出电压最高值为3～20kVDC。

3.根据权利要求1所述的一种磁化/退磁装置，其特征为：

所述储能电容C1和C2为高压电容，是单极性电容器或交流电容器；所述高压电容的耐压值为3～20kVDC。

4.一种利用权利要求1所述磁化/退磁装置产生磁化/退磁磁场的方法，其特征在于：其用于产生单向脉冲磁化场，包括正向脉冲磁场、负向脉冲磁场；

产生正向脉冲磁场的步骤为：

初始状态设定为断路器S0、S3闭合，S1和S2接通第一对连接点，断路器S4和S5断开，给定高压直流电源输出电压V，高压直流电源开始给储能电容C1充电，等储能电容C1上电压达到V后断开S0，触发可控硅Q使得储能电容C1通过线圈L开始放电，当储能电容C1上电压降低为零时S2接通第二对连接点，L中的电流对C2充电同时经过R1放电，当放电回路中的电流过零，也即L中的电流过零时，可控硅Q自动关断，线圈L上产生一个正向脉冲磁化场；

产生负向脉冲磁场的步骤为：

初始状态设定为断路器S0闭合，S1和S2接通第二对连接点，断路器S3、S4和S5断开，给定高压直流电源输出电压V，高压直流电源开始给储能电容C2充电，等储能电容C2上电压达到U后断开S0，闭合断路器S4使得C2通过L、D2开始放电，当储能电容C2上电压降低为零时S2接通第一对连接点，线圈L上产生一个负向脉冲磁化场。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：将正向脉冲磁化场和负向脉冲磁场按照时间顺序任意组合，产生不同的脉冲磁化场序列。

6.一种利用权利要求1所述磁化/退磁装置进行退磁的方法，其特征在于，其产生交流退磁场的方法为：

步骤1：初始状态为断路器S0、S4闭合，S1和S2接通第一对连接点，S3和S5断开；

步骤2：设定高压直流电源输出电压V，高压直流电源开始给储能电容C1充电，等储能电容C1上电压达到V后断开S0；

步骤3：触发可控硅Q使得储能电容C1通过线圈L开始放电，当储能电容C1上电压降低为零时S2接通第二对连接点，储能电容C2上电压先上升后下降，当储能电容C2上电压降低为零时S2接通第一对连接点，储能电容C1上电压开始上升直到不再上升整个电路中电流为零，实现了一个周期衰减的正弦波退磁磁场；

步骤4：当退磁磁场需要多个正弦波磁场，闭合S0设定输出电压对储能电容C1进行充电，等充电完成后断开S0；

步骤5：重复步骤3，4，获得新一个周期衰减的正弦波退磁磁场，以此类推，获得交流退磁磁场。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤5中，当储能电容C1或者储能电容C2上的电压与零的差值小于预定阈值，退磁磁场结束；所述预定阈值为10V。

8.根据权利要求4-7之一所述的方法，其特征在于：通过改变高压直流电源输出电压的大小以改变磁化\退磁场的峰值，在每次磁化和退磁后用磁传感器采集样品的磁学数据，实现对样品的磁学特性的测量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：用于对岩石、矿物以及海底底质进行磁化和退磁。

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