CS232695B1

CS232695B1 - Earth magnetic field compensation device

Info

Publication number: CS232695B1
Application number: CS836978A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Pesina; Jan Halousek
Original assignee: Bohumil Pesina; Jan Halousek
Priority date: 1983-09-24
Filing date: 1983-09-24
Publication date: 1985-02-14
Also published as: CS697883A1

Abstract

Zařízení pro kompenzaci zemského magnetického pole, sestávající z paralelních dvojic indukčních cívek, zapojených na regulovaný zdroj stejnosměrného proudu ovládaný stabilizátorem kompenzovaného magnetického pole. Účelem vynálezu je geometricky přesná konstrukce polygonáliního skeletu indukčních cívek, která přitom umožňuje použít na výrobu skeletu teplotně, vlhkostně i magneticky inertních materiálů, byť obtížně obrobitelných. Účelu se dosahuje tím, že každá indukční cívka je uložena v příčných objímkách nastavitelně upevněných na patkách podélných nosníků a v drážkách vrcholových napínacích kladek, které jsou uspořádány na posuvných závěsech připevněných stavěcími šrouby k rohovým spojníkům, spojujícím podélné nosníky v saimoposný polygonální skelet. Vynález je využitelný v oboru petrofyziky v elektrotechnickém průmyslu při cejchování magnetometrů.A device for compensating the Earth's magnetic field, consisting of parallel pairs of induction coils connected to a regulated direct current source controlled by a compensated magnetic field stabilizer. The purpose of the invention is a geometrically precise construction of a polygonal skeleton of induction coils, which at the same time allows the use of materials that are thermally, humidity- and magnetically inert, even if difficult to machine, for the manufacture of the skeleton. The purpose is achieved by each induction coil being placed in transverse sleeves adjustably fixed to the feet of the longitudinal beams and in the grooves of the top tension rollers, which are arranged on sliding hinges attached by set screws to the corner connectors connecting the longitudinal beams into a self-aligning polygonal skeleton. The invention is applicable in the field of petrophysics in the electrical industry for calibrating magnetometers.

Description

Vynález se týiká zařízení pro- kompenzaci zemského magnetického pole, které sestává z paralelních dvojic idukoních cívek generujících magnetické polo, zapojených na regulovaný zdroj stejnosměrného proudu, který je ovládán stabilizátorem, kompenzovaného magnetického pole.The invention relates to a device for earth magnetic field compensation, which consists of parallel pairs of iducon coils generating a magnetic polo connected to a controlled direct current source controlled by a compensated magnetic field stabilizer.

Požadavek kompenzace zemského miagnetidkého pole se vyskytuje v elektronové mikroskopii, elektronové spektrometrii, při testování magnetometrů apod. Specifické požadavky na kompenzaci zemského magnetického poje se vyskytují v oboru petroifyziky při paleoimagnetiokém zkoumání horninových vzoirlků pro zhodnocení jejich magnetické stability. Specifičnost požadavků spočívá v torní, že kompenzací se musí dosáhnout poměrně vysoké stability kompenzovaného magnetického pole, v němž magnetická indukce nepřekročí hodnotu 1 nT a v relativně velkém prostoru, jehož objem činí nejméně 10“³ m³. Velikost prostoru, ve kterém je v podstatě magnetické vakuum,, je určována metodikou zjišťování magnetické stabilizace horninového vzorku. Metodika je založena na experimentálním proměřování vektoru primární a indukované magnetizace statistického souboru vzorků, který se přitom demaignetizuije v oblasti magnetického vakua zvyšováním teploty vzorků až na 700 °C. Dosáhnout požadované stability magnetického vakua v takovém prostoru, který by umožnil ohřev celého souboru vzorků, je obtížné. Neosvědčil so způsob magnetostatlckého stínění pomocí vysoce permeabiliních materiálů, např. permalloyové slitiny.The requirement for earth miagnetic field compensation is found in electron microscopy, electron spectrometry, magnetometer testing, etc. Specific requirements for earth magnetic field compensation are encountered in the field of petroifyzics during paleo-magnetiological investigation of rock samples to assess their magnetic stability. The specificity of the requirements is that the compensation must achieve a relatively high stability of the compensated magnetic field in which the magnetic induction does not exceed 1 nT and in a relatively large space of at least 10 ³ m ³ . The magnitude of the space in which the magnetic vacuum is substantially determined is determined by the method of determining the magnetic stabilization of the rock sample. The methodology is based on experimental measurement of the primary and induced magnetization vector of a statistical sample set, which is demaigned in the magnetic vacuum region by increasing the sample temperature up to 700 ° C. It is difficult to achieve the desired magnetic vacuum stability in a space that would allow the entire sample pool to be heated. It has not proved to be a method of magnetostatic shielding with highly permeable materials, such as permalloy alloys.

Výroba velkorozměrových prvků z tohoto materiálu je nákladná a přitom se u nich projevují ve zvýšené míře nepříznivé magnetostrikční jevy. Mechanickým a tepelným namáháním těchto prvků vzniká v materiálu parazitní magnetizace narušující magnetické vakuum. Pro paleomagnetické vyšetřování horninových vzorků nelze využít ani elektromagnetického stínění poimo-cí dokonalého elektrického vodiče. I když se tímto způsobem dosahuje dosud nejstabilnějšího magnetického vakua, uplatnění způsobu vyžaduje náročné kryogenní zařízení pro udržování vodičů v supravodivém stavu, Provoz kryogenního zařízení je narušováni provozem ohřívacího zařízení. Z uvedených důvodů se v oboru paleciroagnetického vyšetřování horninových vzorků využívá soustavy Helmholtzových, Barkerových apod. indukčních cívek. Pro zajištění magnetického vakua v požadovaném objemu jsou nutné velkorozměrové indukční cívky, sestavené do polygonální soustavy se zastavěnými objemem 10 až 20 m³.The manufacture of large-dimensional elements from this material is costly and, at the same time, has an increasingly unfavorable magnetostrictive effect. The mechanical and thermal stress of these elements results in the material of parasitic magnetization disrupting the magnetic vacuum. For paleomagnetic investigation of rock samples, it is not possible to use electromagnetic shielding by means of perfect electrical conductor. Although this method achieves the most stable magnetic vacuum so far, the application of the method requires a sophisticated cryogenic device to keep the conductors in a superconducting state. For this reason, a system of Helmholtz, Barker etc. induction coils is used in the field of thumb-magnetic investigation of rock samples. Large magnetic induction coils assembled into a polygonal system with a built-in volume of 10 to 20 m ³ are required to ensure the magnetic vacuum in the required volume.

Poměr mezi objemem zastavěným indukčními cívkami a objemem kompenzovaného magnetického pole je závislý inia výrobní přesnosti indukčních cívek a jejich skeletu, na stálosti geometrie skeletu a jeho odolnosti vůči stárnutí, změnám okolní teploty, vlhkosti apod. Uvažují-li se ideální dimenze a ideální stálost indukčních cívek, činí při hodnotě kompenzovaného zemského magnetického pole 40 000 až 50 000 nT pro objem magnetického vakua 10^-3 m³ jejich velikost 1,6 m. Připustí-li se v dimenzích indukčních cívek tolerance + 0,5 mm, je nutno pro požadovaný objem a stabilitu magnetického vakua aplikovat indukční cívky o velikosti až 3 m.The ratio between the volume of induction coils installed and the volume of the compensated magnetic field is dependent on the manufacturing accuracy of the induction coils and their skeleton, the stability of the skeleton geometry and its resistance to aging, ambient temperature, humidity changes, etc. at a compensated earth magnetic field value of 40,000 to 50,000 nT for a magnetic vacuum volume of 10 ^-3 m ^3, their size is 1.6 m. If tolerance of + 0.5 mm is allowed in the induction coil dimensions, the required volume is required and the magnetic vacuum stability to apply induction coils up to 3 m in size.

Jsou známá zařízení pro kompenzaci zemského magnetického pole, jejichž indukční cívky jsou v souvislém dotyku se skelety, zhotovenými z plastických hmot, ze dřeva nebo slitin nemagnetických kovů.Earth magnetic field compensation devices are known whose induction coils are in continuous contact with skeletons made of plastics, wood or non-magnetic metal alloys.

Nevýhodou známých zařízení jsou změny hodnot magnetického pole generovaného cívkami při konstantním napájecím proudu a prostorová dislokace objemu magnetického vakua. Tyto změny a dislokace jsou způsobovány rozměrovou nestálostí cívkových skeletů, reagujících roztažností a smršťováními na změny okolní teploty nebo vlhkosti, popřípadě i na vnitřní změny konzis-v tence materiálu. Vyloučení negativního působení okolí klimatizací laboratoře je nákladné a neřeší problém zcela uspokojivě. Nadto povaha užívaných materiálů a jim odpovídající způsoby obrábění neumožňují spolehlivě dodržet výrobní tolerance. Cívkový' skelet nemá ani na počátku zvolené geometrické dimenze.Disadvantages of the known devices are changes in the values of the magnetic field generated by the coils at a constant supply current and spatial dislocation of the magnetic vacuum volume. These changes and dislocations are due to the dimensional instability of the coil scaffolds, reacting by expansion and contraction to changes in ambient temperature or humidity, and possibly to internal changes in material consistency. Eliminating the negative environmental impact of the laboratory's air conditioning is costly and does not solve the problem completely satisfactorily. Moreover, the nature of the materials used and the corresponding machining methods do not make it possible to reliably observe manufacturing tolerances. The coil skeleton does not even have a selected geometric dimension at the beginning.

Vzhledem k požadované velikosti objemu magnetického vakua a k nepřesnosti a nestabilitě skeletu, je třeba volit indukční cívky neúměrně velké. Ani velké cívky však neodstraňují dislokace prostoru magnetického vakua, které působí značné provozní komplikace a ztěžují práci se zařízením. ,Due to the required magnitude of the magnetic vacuum volume and the inaccuracy and instability of the skeleton, it is necessary to select the induction coils excessively large. However, even large coils do not remove the magnetic vacuum space dislocations, which cause considerable operational complications and make the operation of the device more difficult. ,

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro kompenzaci zemského magnetického pole podle vynálezu, jehož podstata .spočívá v tom, že každá indukční cívka je uložena ,v příčných objímkách nastavitelně: upevněných na patkách podélných nosníků a v drážkách vrcholových napínacích kladek, které jsou uspořádány na posuvných závěsech připevněných druhými stavěcími šrouby k rohovým spojníkům, spojujícím podélné nosníky v samoniosný polygonální skelet.The above-mentioned disadvantages are overcome by the earth magnetic field compensation device according to the invention, which consists in that each induction coil is mounted in transverse sleeves adjustablely mounted on the feet of the longitudinal beams and in the grooves of the top tension rollers arranged on sliding hinges mounted second adjusting screws to corner connectors, connecting the longitudinal beams into a self-supporting polygonal skeleton.

Navíjení indukčních cívek se usnadní, když příčné objímky jsou dělené a sestávají z vidlicového dílu a uzávěrového dílu.The winding of the induction coils is facilitated when the cross sleeves are split and consist of a fork part and a closure part.

Výhody zařízení podle vynálezu vyplývají z bodového uložeiní indukčních cívek na podélných nosnících skeletu a z miastavitelnosti příčných objímek a vrcholových napínacích kladek. Nastavitelné konstrukční prvky umožňují použít pro výrobu podélných nosníků a celého poiygonálního skeletu cívkové soustavy i těžko obrobitetného materiálu, avšak materiálu s nízkým teplotním součinitelem roztažností, napr. trubek z varného skla. Bodové uložení indukčních cívek navíc činí cívky méně závislé na dimenzionálních změnách podélných nosníků.Advantages of the device according to the invention result from the point bearing of the induction coils on the longitudinal beams of the skeleton and from the positioning of the cross sleeves and the top tensioning rollers. Adjustable structural elements make it possible to use difficult-to-machine material, but a material with a low coefficient of expansion, such as boiling glass tubes, to produce longitudinal beams and the entire pogonal skeleton of the coil assembly. Moreover, the point placement of the induction coils makes the coils less dependent on the dimensional changes of the longitudinal beams.

* 5* 5

Vlivem teplotní dilatace dochází pouze k podélnému posunu indukčních cívek v příčných objímkách), a proto změny celkové délky se projevují pouze jejich deformací v drážkách vrcholových napínacích kladek. Bylo experimentálně prokázáno, že deformace indukčních cívek ve vrcholech polygonálního skeletu mají zanedbatelný vliv na hodnotu a variace generovaného magnetického polo. Příčné objímky nastavitelně upevněné na patkách podélných nosníků a posuvné závěsy vrcholových kladek umožňují při výrobě zařízení podle vynálezu napnout, usměrnit a adjustovat vinutí indukčních cívek s využitím přesné měřící techniky, např. laserových měřidel a dodrW žet tak požadované výrobní tolerance. Poměr velikosti idukčních cívek k velikosti užitného objemu se blíží ideálnímu, propočtenému stavu. Odolnost polygonálního skeletu indukčních cívek vůči změnám okolní teploty i vlhkosti a stabilita materiálu omezují deformace a dislokace prostoru magnetického vakua na minimum.Due to the temperature dilatation, only the longitudinal displacement of the induction coils in the transverse sleeves occurs, and therefore changes in the overall length are manifested only by their deformation in the grooves of the top tension rollers. It has been shown experimentally that deformations of induction coils in the vertices of the polygonal skeleton have a negligible effect on the value and variation of the generated magnetic polo. The transverse sleeves adjustable on the feet of the longitudinal beams and the sliding hinges of the top rollers allow the induction coil windings to be tensioned, rectified and adjusted using precision measuring techniques, such as laser gauges, while maintaining the required manufacturing tolerances. The ratio of the size of the induction coils to the size of the usable volume is close to the ideal, calculated state. The resistance of the polygonal skeleton of the induction coils to changes in ambient temperature and humidity and the stability of the material minimize deformations and dislocations of the magnetic vacuum space.

Příklad zařízení pro kompenzaci zemského magnetického poile podle vynálezu je znázorněn na přiložených výkresech, kde na obr. 1 je schematický nákres polygonálního skeletu s idukčními cívkami: v šikmém pohledu a schéma blokového zapojení celého zařízení, ina obr. 2 je detail A z obr. 1 podélného nosníku s patkami a příčnými objímkami indukčních cívek v šikmém pohledu a na obr. 3 je detail B z obr. 1 vrcholové napínací kladky s rohovým spojníkem podélných nosníků v podélném řezu.An example of an earth magnetic field compensation device according to the invention is shown in the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a schematic drawing of a polygonal skeleton with induction coils: in oblique view and block diagram of the whole device; Fig. 2 is detail A of Fig. 1 and Fig. 3 is a detail B of Fig. 1 of a top tensioner pulley with a corner connector of the longitudinal beams in longitudinal section.

Zařízení pro kompenzaci zemského magnetického pole podle, vynálezu sestává ze tří paralelních dvojic indukčních cívek 1 čtvercového tvaru, uspořádaných do Helmholtzova systému tak, že dvojice indukčních cívek jsou ma sebe kolmé, obr. 1. Všechny indukční cívky 1 jsou zapojeny na regulovaný zdroj 2 stejnosměrného proudu ovládaný stabilizátorem 3 kompenzovaného' magnetického pole,, spojeným s magnetometrem 4, umístěným v kompenzovaném magnetickém poli mezi indukčními cívkami 1. Každá indukční cívka 1 je uložena v příčných objímkách 5 a v drážkách 9 vrcholových napínacích kladek 10. Příčné objímky 5 jsou nastavitelně upevněny, např. přilepeny, po přesném zaměření indukčních cívek 1, k patkám 8 podélných nosníků 11. Mohou být buď celistvé, nebo s výhodou rychlejší montáže a přesnější adjustace indukčních cívek rozdělené na vidlicový díl 6 a uzávěrový díl 7, který je k vidlicovému dílu 6 přilepen až po navinutí a adjustaci indukčních cívek 1. Vrcholové napínací kladky 10 jsou posuvně upevněny pomocí prvých stavěčích šroubů 12 na posuvných závěsech 14, které jsou rovněž posuvně připevněny pomocí druhých stavěčích šroubů 13 k rohovým spojníkům 15. Každý rohový spojník 15 je opatřen nejméně dvěma čepy 16, u6 způsobenými pro zasunutí do podélných nosníků 11. Rohovými spojníky 15 jsou podélné nosníky 11 spojeny v samostatný polygonální skelet 17.The Earth Magnetic Field Compensation Device of the Invention consists of three parallel pairs of square inductors 1 arranged in a Helmholtz system so that the pairs of inductors are perpendicular to each other, Fig. 1. All inductors 1 are connected to a regulated DC power supply 2 current controlled by a compensated magnetic field stabilizer 3 coupled to a magnetometer 4 disposed in the compensated magnetic field between the induction coils 1. Each induction coil 1 is housed in the transverse sleeves 5 and in the grooves 9 of the top tension rollers 10. The transverse sleeves 5 are adjustable They can be either integral or preferably faster assemblies and more precise adjustments of the induction coils divided into the fork part 6 and the closure part 7, which is attached to the fork part. The pinch rollers 10 are slidably mounted by means of the first set screws 12 on the sliding hinges 14, which are also slidably attached by means of the second set screws 13 to the corner connectors 15. Each corner connector 15 is provided with by at least two pins 16, u6 caused to be inserted into the longitudinal beams 11. By corner connectors 15, the longitudinal beams 11 are connected in a separate polygonal skeleton 17.

V konkrétním provedení je satmomosný polygonální skelet 17 zhotoven ze skleněných trubek, vyrobených z varného skla. Rozměrové nepřesnosti skeletu 17, které by mohly ovlivnit funkci indukčních cívek 1, jsou anuiovány příčnými objímkami 5 a vrcholovými napínacími kladkami 10. Před navíjením indukčních cívek 1 se vrcholové napínací kladky 10 přesně zaměří a nastaví do polohy vrcholů polygonálního skeletu 17.In a particular embodiment, the satmous polygonal skeleton 17 is made of glass tubes made of boiling glass. Dimensional inaccuracies of the skeleton 17, which could affect the function of the induction coils 1, are canceled by the transverse sleeves 5 and the apex tension rollers 10. Prior to winding the induction coils 1, the apex tension rollers 10 are precisely aligned and adjusted to the apex position of the polygonal skeleton 17.

K vyrovnání podélných -nerovností se použije prvého stavěcího vroubu 12 a k vyrovnání výškových, popřípadě stranových nerovností se použije druhého stavěcího šroubu 13. Pro přesné ustavení vrcholových napínacích kladek 19 lze využít buď laserových měřidel, nebo pomocné ocelové struny a konvenčních optických měřidel. Podle adjustované polohy vrcholových napínacích kladek 10 se. upevňují na patky 8 podélných «aosniků 11 vidlicové díly 6 příčných objímek 5. Na takto upravený polygonální skelet 17 se navíjejí indukční cívky 1, které se ukládají do vidlicových dílů 6 příčných objímek 5 a do drážek 9 vrcholových napínacích kladek 10.A first adjusting screw 12 is used to compensate for longitudinal rigidity and a second adjusting screw 13 is used to compensate for height or lateral irregularities. Either laser gauges or auxiliary steel strings and conventional optical gauges can be used to accurately align the top tension rollers 19. Depending on the adjusted position of the top tensioning rollers 10 is. The induction coils 1 are wound onto the polygonal skeleton 17, which are inserted into the fork parts 6 of the cross sleeves 5 and into the grooves 9 of the top tensioning rollers 10.

Do drážek 9 je výhodné vložit ohebnou podkaukn, na obr. nezakrestenou, která se po navinutí indukčních cívek 1 odstraní. Ve vrcholech polygonálního skeletu 17 tím vzniknou dilatační prostory, do kterých se deformují působením okolní teploty indukční cívky 1. Po navinutí indukčních cívek 1 se k vidlicovým dílům 6 příčných objímek 5 připevní uzávěrové díly 7. Indukční cívky 1 se zapojí na regulovaný zdroj 2 stejnosměrného proudu a mezi ně s,e instaluje magnetometr 4 spojený se stabilizátorem kompenzovaného magnetického pole, ovládajícím regulovaný zdroj 2.It is advantageous to insert into the grooves 9 a flexible undercoat, not shown in the figure, which is removed after winding of the induction coils 1. In the tops of the polygonal skeleton 17 there are created expansion spaces into which they deform under the influence of the ambient temperature of the induction coil 1. After winding the induction coils 1, the closure parts 7 are fastened to the fork parts 6 of the cross sleeves 5. and including installing a magnetometer 4 coupled to a compensated magnetic field stabilizer controlling the regulated source 2.

Po zapojení zařízení podle vynálezu do činnosti jsou indukční cívky 1 napájeny právě takovým proudem, ktorý je nutný pro generování kompenzačního magnetického pole, kompenzujícího zemské magnetické po'le. Změny zemského 'magnetického pole,, popřípadě i změny generovaného magnetického pole registruje magnetomietr 4 a vyrovnává stabilizátor 3. Změny magnetického pole generovaného indukčními cívkami 1 jsou minimální, neboť změny okolní vlhkosti a teploty utají na polygonální skelet 17 zanedbatelný vliv. Pokud působí na indukční cívky 1, projevuje so jejich účinek pouze deformacemi v prostoru vrcholových napínacích kladek 10 a tyto deformace nemají podstatný vliv ani na změny homogenity koímp-enzovanélio magnetického pole, anil na prostorové posuny objemu magnetického vakua mezi indukčními cívkami 1.When the device according to the invention is switched on, the inductors 1 are supplied with the current required to generate a compensating magnetic field compensating for the earth's magnetic field. The changes in the earth's magnetic field or the changes in the generated magnetic field are registered by the magnetometer 4 and equalize the stabilizer 3. The changes in the magnetic field generated by the induction coils 1 are minimal, When acting on the induction coils 1, their effect is manifested only by deformations in the space of the top tension rollers 10, and these deformations have no significant effect on the variations in the homogeneity of the co-transferred magnetic field, nor on the spatial shifts of the magnetic vacuum volume between the inductors 1.

Zařízení podle vynálezu je možno použítThe device according to the invention can be used

232G95 nejen v oboru petnofyziky při paleomagnetickém zkoumání horninových vzorků, tj. především pro demagnetaci vzorků, ale i v elektrotechnice, např. pro cejchování magnetometrů.232G95 not only in the field of petnophysics in paleomagnetic investigation of rock samples, ie mainly for demagnetization of samples, but also in electrical engineering, eg for calibration of magnetometers.

Claims

pSedmet

An earth magnetic field compensation device consisting of parallel pairs of induction coils generating a compensating magnetic field connected to a regulated direct current source controlled by a compensated magnetic field stabilizer, characterized in that each inductor (1) is housed in transverse sleeves (5) adjustablely fixed to the feet (8) of the longitudinal beams (11);

BACKGROUND OF THE INVENTION grooves (9) of top tension rollers (10) are provided on sliding hinges (14) attached by second set screws (13) to corner connectors (15) connecting the longitudinal beams (11) into a self-supporting polygonal skeleton (17).

Device according to claim 1, characterized in that the transverse sleeves (51) are divided and consist of a fork part (6) and a closure part (7).