FR2887991A1

FR2887991A1 - Procede de mesure du champ magnetique quasi-statique

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Publication number: FR2887991A1
Application number: FR0508903A
Authority: FR
Inventors: Inessa Bolshakova; Roman Holyaka; Sergei Gerasimov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-01-05
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: UA82496C2; GB2427700A; FR2887991B1; GB0518433D0; GB2427700B

Abstract

L'invention concerne les techniques de mesure du champ magnétique utilisant des capteurs d'induction et des convertisseurs galvanométriques. Un procédé de mesure du champ magnétique quasi-statique comprend la mesure de la tension de sortie d'un convertisseur galvanométrique et le calcul de l'induction du champ magnétique mesuré avec utilisation de la valeur de la tension de sortie et de celle de la sensibilité du convertisseur, la sensibilité étant déterminée pendant son calibrage périodique par établissement du rapport entre la variation de la tension de sortie du convertisseur et la variation du champ magnétique. On effectue le calibrage pendant la mesure du champ magnétique, et la variation du champ magnétique utilisée pour le calibrage du convertisseur est celle du champ magnétique même mesuré.

Description

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L'invention concerne les techniques de mesure, notamment les procédés de mesure du champ magnétique qui se basent sur les capteurs d'induction et sur les convertisseurs de mesure galvanométriques et peut être appliquée, en particulier, pour mesurer les champs magnétiques dans les réacteurs de synthèse thermonucléaire.

On connaît un procédé de mesure du champ magnétique variable dans le temps, qui se base sur la mesure de l'intégrale de la tension sur la bobine de mesure et sur le calcul ultérieur du changement de l'induction du champ magnétique [Green M.I. Search coils. // CAS. Measurement and alignment of accelerator and detector magnets. Geneva. 1998. P. 163, Fig. 19. ] . Le flux magnétique, qui passe à travers la bobine et qui est un paramètre représentatif de la variation du champ magnétique mesuré, entraîne la formation d'une force électromotrice (tension) aux bornes de la bobine de mesure. Cette tension est intégrée pendant une certaine durée par l'intégrateur dont le signal est le résultat de la mesure de variation du champ magnétique au cours de l'intégration.

Le défaut de ce procédé de mesure consiste dans l'impossibilité d'une mesure durable des champs magnétiques, et, en particulier, des champs magnétiques quasi-statiques ou des champs magnétiques pulsés avec des impulsions de longue durée etc. La cause réside, premièrement, dans l'impossibilité de déterminer la valeur initiale du champ magnétique, qui a eu lieu au début de l'intégration, deuxièmement, une faible précision du fonctionnement de l'intégrateur en cas d'intégration durable et de petits changements de tension sur la bobine de mesure.

On connaît un procédé de mesure du champ 35 magnétique, basé sur la mesure de la tension de sortie 2887991 2 d'un convertisseur galvanométrique, en particulier d'une sonde à effet Hall, et, sur le calcul ultérieur de l'induction du champ magnétique en utilisant la valeur connue d'avance de la sensibilité du convertisseur, [Popovic R.S. Hall effect devices: magnetic sensor and characterization of semiconductors. IOP Publishing Ltd. 1991. P. 188. Fig. 4.22.]. En appliquant une tension (un courant) d'alimentation au convertisseur galvanométrique, on y crée un flux de porteurs de charge. Sous l'effet de la force de Lorentz sur les porteurs mobiles de charge, un signal apparaît dans le convertisseur galvanométrique, par exemple, une différence de tension aux bornes de sortie de la sonde à effet Hall. Cette tension est un signal informatif caractérisant le processus de mesure du champ magnétique. Le coefficient de transformation de la tension mesurée en induction du champ magnétique est connu d'avance et invariable.

A la différence du procédé de mesure du champ magnétique à la base de bobines [Green M.I. Search coils. // CAS. Measurement and alignment of accelerator and detector magnets. Geneva. 1998. P. 163, Fig. 19.1, le procédé de mesure susmentionné [Popovic R.S. Hall effect devices: magnetic sensor and characterization of semiconductors. IOP Publishing Ltd. 1991. P. 188. Fig. 4.22.] utilisant un convertisseur galvanométrique assure la mesure de la valeur réelle du champ magnétique, et non pas de celle de sa variation dans le temps. Aussi le procédé de mesure par convertisseur galvanométrique n'a-t-il aucune limite en ce qui concerne la mesure de longue durée des champs magnétiques statiques et quasi- statiques. Pourtant, son défaut consiste dans une faible précision de mesure du champ magnétique dans des conditions strictes d'exploitation, en particulier, dans les conditions 2887991 3 d'un niveau élevé de radiation pénétrante. La cause en est le changement des paramètres électrophysiques des convertisseurs galvanométriques dans des conditions de radiation pénétrante, en particulier, le changement de la sensibilité des convertisseurs galvanométriques en cas d'action prolongée sur eux de particules chargées ou de neutrons.

On connaît un procédé de mesure du champ magnétique, basé sur la mesure de la tension de sortie d'un convertisseur galvanométrique et sur le calcul de l'induction du champ magnétique mesuré à partir de la valeur de la tension et de la sensibilité du convertisseur susmentionnées, la sensibilité du convertisseur étant déterminée au cours de son calibrage périodique à l'aide du champ magnétique de test. Ce calibrage s'effectue in situ , c'est-à-dire, directement à l'intérieur du dispositif, où est placée une sonde de mesure. Le champ magnétique de test est formé par la bobine, dans laquelle se trouve le convertisseur galvanométrique. La bobine et le convertisseur galvanométrique placé à l'intérieur forment un ensemble constituant une sonde intégrée. La valeur du champ magnétique de test, qui est déterminée par le courant d'alimentation de la bobine et qui est considérée comme connue, et la valeur mesurée de la tension de sortie du convertisseur galvanométrique qui est conditionnée par le champ magnétique de test, sont des valeurs informatives pour le calcul de la sensibilité du convertisseur galvanométrique [Bolshakova I., Holyaka R., Leroy C. Novel approaches towards the development of Hall sensor-based magnetometric devices for charged particle accelerators // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2002. - Vol.12, N l. - P. 1655-1658.].

2887991 4 L'avantage du procédé de mesure décrit ci-dessus [Bolshakova I., Holyaka R., Leroy C. Novel approaches towards the development of Hall sensor-based magnetometric devices for charged particle accelerators // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. -2002. - Vol.12, N l. - P. 1655-1658.] est la possibilité de calibrer périodiquement le convertisseur, et, par conséquent, d'assurer la compensation du changement de la sensibilité du convertisseur galvanométrique dans des conditions d'action prolongée sur lui de la radiation pénétrante. Il est important que pendant le calibrage périodique il n'y ait pas de nécessité de sortir la sonde du dispositif où s'effectue la mesure du champ magnétique. Cet avantage a une importance considérable pour la mesure du champ magnétique lors d'une exploitation dans des conditions de haute radiation, en particulier dans des réacteurs ou dans des accélérateurs de particules. Sous l'effet d'une radiation élevée, une dérive des paramètres des convertisseurs galvanométriques a lieu, aussi leur calibrage périodique est-il nécessaire. Ledit calibrage doit être effectué in situ .

Le défaut du procédé susmentionné [Bolshakova I., Holyaka R., Leroy C. Novel approaches towards the development of Hall sensor-based magnetometric devices for charged particle accelerators // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2002. - Vol.12, N l. - P. 1655-1658.] est une faible précision du calibrage périodique in situ . Ceci est causé par une stabilité insuffisante des paramètres de la bobine qui crée le champ magnétique de test. Pour créer la valeur nécessaire du champ magnétique de test (quelques milliteslas) la bobine doit avoir un diamètre aussi petit que possible (quelques millimètres) et le plus grand nombre possible de spires (quelques centaines).

2887991 5 En outre, il est nécesaire de faire passer par la bobine un courant puissant (de quelques dizaines à quelques centaines de milliampères), qui échauffe la bobine. Aussi, lors du passage d'un courant puissant, ces bobines à plusieurs spires et de petites dimensions et avant tout l'isolation entre spires ne présentent-elles pas de sécurité suffisante. On observe surtout cette insuffisance de sécurité lors de l'exploitation des bobines dans des conditions de températures élevées dans le vide, où, premièrement, l'extraction de la chaleur n'est pas suffisante, et deuxièmement, apparaissent des problèmes liés au dégagement de gaz du compound ou du vernis de l'isolation entre spires.

L'invention a pour but de perfectionner le procédé connu de mesure du champ magnétique quasi-statique afin d'augmenter la précision de la mesure et la sécurité du fonctionnement du dispositif de mesure lors de son exploitation prolongée dans des conditions sévères de niveau élevé de radiation pénétrante, d'une possibilité limitée d'extraction de la chaleur et d'un accès limité, grâce au calibrage périodique du convertisseur galvanométrique effectué lors de la mesure même, avec utilisation pour ce calibrage des changements périodiques de l'induction du champ magnétique quasi-statique même.

Ce but posé est atteint par le fait que dans le cas du procédé de mesure du champ magnétique quasi- statique qui consiste dans la mesure de la tension de sortie d'un convertisseur galvanométrique et dans le calcul de l'induction du champ magnétique, avec utilisation de la valeur de la tension de sortie mesurée et de la sensibilité du convertisseur galvanométrique prédéterminée (on détermine cette sensibilité au moyen de son calibrage périodique en établissant la corrélation entre la variation du champ 2887991 6 magnétique et la variation correspondante de la tension de sortie du convertisseur galvanométrique), on utilise, pour calibrer le convertisseur galvanométrique, la valeur de variation du champ magnétique même obtenue par mesure par le capteur d'induction du champ, le calibrage n'étant effectué que lorsque la variation du champ magnétique dépasse une valeur prédéterminée pendant une durée déterminée.

Le procédé proposé de mesure du champ magnétique quasi-statique est expliqué ci-après d'une façon détaillée à l'aide des figures suivantes.

Sur la Fig.l sont représentées des variations dans le temps de l'induction d'un champ magnétique et de la tension de sortie d'un capteur d'induction du champ.

Sur la Fig. 2 est représentée la fonction de transformation du convertisseur galvanométrique en approximation linéaire.

Sur la Fig. 3 est représenté le bloc-diagramme d'un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention de mesure du champ magnétique quasi-statique.

Sur la Fig. 4 est représentée la disposition du convertisseur galvanométrique dans la bobine du capteur 25 d'induction du champ.

Sur la Fig. 5 est représenté un schéma d'un discriminateur de temps.

La mesure du champ magnétique quasi-statique s'effectue selon l'invention par un dispositif de mesure utilisant un convertisseur galvanométrique 1. Un exemple de la variation dans le temps de l'induction B d'un champ magnétique quasi-statique mesuré est représenté par la courbe supérieure de la Fig. 1, où sont montrés les changements de l'induction zBo du champ magnétique quasi-statique mesuré, auxquels 2887991 7 correspondent les intervalles de temps dt=t2-t1, en cas d'augmentation et de diminution de l'induction du champ magnétique B. D'après l'invention, ce sont ces changements de l'induction AB0 du champ magnétique quasi-statique mesuré qu'on utilise pour calibrer le dispositif de mesure à convertisseur galvanométrique directement pendant la mesure du champ magnétique.

Le calibrage inclut la détermination du coefficient KB qui lie la tension de sortie VH du dispositif de mesure à convertisseur galvanométrique à l'induction du champ magnétique B selon la formule suivante: VH=KBÉB. (1)

La Fig. 2 représente la fonction de transformation du convertisseur galvanométrique en approximation linéaire. On obtient le coefficient KB selon la formule ci-dessous: K AVH o B = QB, 0 (2) où OVHO = VH(t2)-VH(tI) est la différence des tensions de sortie VH (tl) , VH(t2) du dispositif de mesure à convertisseur galvanométrique aux limites de l'intervalle de temps dt=t2-t1. En utilisant le coefficient KB déterminé de cette façon et en appliquant la formule (1) sur la base de la valeur mesurée de la tension de sortie A VHV, on calcule l'induction du champ magnétique BM à n'importe quel instant t (voir la Fig. 2).

On mesure le changement de l'induction AB0 du champ magnétique quasistatique par un capteur d'induction du champ magnétique qui comprend 2887991 8 normalement une bobine 2 placée dans le champ magnétique mesuré.

La tension VcoIL aux bornes de la bobine 2 est proportionnelle à la surface efficace A de ses spires et à la vitesse de variation de la composante du vecteur d'induction du champ magnétique B perpendiculaire à la surface A dB Vcou. = Kc ' A dt (3) où Kc est le coefficient de proportionnalité.

On détermine la valeur du changement de l'induction du champ magnétique mesuré par voie d'intégration de la tension de sortie mesurée du capteur d'induction du champ conformément à la formule:

A

Vour. = Kc É AB, (4) où i est la constante de temps de l'intégration.

Etant donné que, pour le calibrage du convertisseur galvanométrique 1, c'est dans la zone où est celui-ci situé qu'il est nécessaire de déterminer la valeur de variation de l'induction du champ magnétique mesuré AB, le convertisseur galvanométrique 1 est placé à l'intérieur de la bobine 2 du capteur d'induction du champ.

Le procédé proposé de mesure du champ magnétique quasi-statique peut être mis en oeuvre avec le dispositif de mesure du champ magnétique quasistatique, dont le schéma-bloc est représenté sur la Fig. 3. Ce dispositif comporte le convertisseur 30 galvanométrique 1 réalisé sous forme de sonde à effet 2887991 9 Hall, la bobine 2 du capteur d'induction du champ magnétique, un circuit de pilotage ou driver 3 qui est connecté au convertisseur galvanométrique 1 et qui assure son fonctionnement, le discriminateur de temps 4 qui est connecté à la bobine 2 et qui détermine les intervalles de temps dans lesquels la variation du champ magnétique a atteint une valeur fixée d'avance, la mémoire vive 5 qui est contrôlée par le discriminateur de temps 4 et qui conserve les résultats de la mesure de la tension de sortie du driver 3, et le correcteur 6 qui est contrôlé par le discriminateur de temps 4 et qui assure le calibrage périodique du dispositif selon le procédé proposé. Quant à sa disposition, le convertisseur galvanométrique 1 est situé à l'intérieur de la bobine 2 du capteur d'induction du champ magnétique (Fig. 4), l'axe de sensibilité du convertisseur galvanométrique 1 (en particulier, l'axe de la normale N au plan de la sonde à effet Hall) coïncidant avec l'axe de la bobine 2. De cette façon, on assure la mesure des variations de l'induction du champ magnétique par le capteur d'induction dans la même zone du champ dans laquelle est effectuée la mesure de l'induction du champ magnétique à l'aide de la sonde à effet Hall.

Dans la zone de mesure du champ magnétique exposée à des conditions extrêmes d'exploitation, se trouvent seulement le convertisseur galvanométrique 1 et la bobine 2 du capteur d'induction du champ magnétique, mais d'autres éléments du dispositif de mesure du champ magnétique se trouvent en dehors de la zone exposée aux conditions extrêmes d'exploitation, ce qui exclut pratiquement l'influence sur eux de facteurs déstabilisants qui agissent dans la zone exposée aux conditions extrêmes d'exploitation.

2887991 10 La mesure du champ magnétique est effectuée par le convertisseur galvanométrique 1 (par la sonde à effet Hall). Le driver 3 assure la formation du signal du convertisseur galvanométrique et inclut un stabilisateur de courant du convertisseur galvanométrique, un amplificateur et un convertisseur analogique-numérique de son signal.

Pour simplifier l'exposition, on utilise une approximation linéaire de la fonction de transformation du dispositif de mesure du champ magnétique à sonde à effet Hall en qualité de convertisseur galvanométrique. Alors la tension de sortie du driver VH peut être exprimée sous forme de: VH=KHÉKA IHÉB, 15 (5) où KH est la sensibilité magnétique de la sonde à effet Hall; KA est le coefficient de transformation du signal par le driver; IH: le courant d'alimentation de la sonde à effet Hall; B la composante du vecteur d'induction du champ magnétique perpendiculaire au plan de la sonde à effet Hall.

Lors d'une exploitation prolongée du dispositif de mesure du champ magnétique dans des conditions extrêmes d'exploitation, la sensibilité magnétique KH du convertisseur galvanométrique subit des variations, ce qui conduit à l'apparition d'une imprécision lors de la mesure. En général, cette instabilité peut avoir aussi pour cause le coefficient de transformation KA et le courant d'alimentation IH. Aussi le calibrage du convertisseur galvanométrique inclut-il la détermination du coefficient unique KB qui lie la tension de sortie VH du dispositif de mesure à l'induction du champ magnétique selon la formule (1).

2887991 11 Le discriminateur de temps 4 détermine les intervalles aux limites desquels la valeur du changement du champ magnétique, mesurée à l'aide de la bobine 2, atteint la valeur donnée ABo. La tension VcoIL de la bobine 2 du capteur d'induction du champ magnétique est appliquée à l'entrée du discriminateur de temps 4, et la sortie du discriminateur de temps 4 commande le positionnement de la mémoire vive 5 et du correcteur 6 du dispositif.

Une variante du schéma du discriminateur de temps 4 et de ses liaisons avec d'autres éléments du dispositif est représentée sur la Fig. 5. Ce discriminateur de temps contient un intégrateur (l'amplificateur opérationnel OA1, la résistance R, le condensateur C et l'interrupteur SW) , deux comparateurs (les amplificateurs opérationnels OA2, OA3), l'élément logique LE et l'horloge TM.

La tension VouT à la sortie de l'intégrateur est déterminée par la formule (4) dans laquelle i = RC, 20 constante du temps de l'intégrateur.

Donc, la bobine 2 du capteur d'induction du champ magnétique et l'intégrateur assurent la mesure de variation de l'induction du champ magnétique dont le résultat ne dépend pratiquement pas des facteurs déstabilisants, en particulier d'un niveau élevé de radiation pénétrante et de température. Il est à noter que le changement possible de paramètres électrophysiques du fil de la bobine 2 n'influence nullement le signal. Selon la formule (3), le signal de la bobine 2 ne se détermine pas par les paramètres électrophysiques du fil, mais uniquement par la surface efficace de ses spires A qui ne change pas sous l'effet de la radiation.

Des courbes de variation dans le temps 35 illustrent le fonctionnement du discriminateur de temps 2887991 12 (Fig. 1), courbes représentant la variation de l'induction du champ magnétique dans le temps B(t), la tension de sortie de l'intégrateur VouT(t) et des impulsions de commande S1, S2, S3. L'horloge TM (Fig. 5) crée une suite d'impulsions de synchronisation SI(t) dont la durée et la périodicité sont fixes PI = P2 = P3 = const. Les impulsions de synchronisation SI(t) ferment périodiquement l'interrupteur SW qui annule la tension à la sortie de l'intégrateur, VouT(tl) = O. Immédiatement après la fin de chaque impulsion de synchronisation (t1) commence le processus d'intégration périodique (mesure du champ magnétique) et se forme le flanc avant d'impulsion S2(t) de commande de la mémoire vive. Cette impulsion remplit la fonction de commande qui sélectionne et transmet à la mémoire vive 5 le signal de sortie VH(tl) du driver 3 du convertisseur galvanométrique 1. En principe, ce signal est déjà mis sous forme numérique par un convertisseur analogique-numérique de ce driver. De cette façon, la tension VH(t) est enregistrée dans la mémoire 5 cette tension est une valeur représentative de l'induction du champ magnétique B(t1) mesurée à l'aide du convertisseur galvanométrique 1.

Le fonctionnement ultérieur du discriminateur de temps dépend de la vitesse de variation du champ magnétique B(t). En cas d'une variation assez rapide du champ magnétique, la tension à la sortie de l'intégrateur VouT dépassera à nouveau une des valeurs de référence +Vo (par exemple, la première période PI sur la Fig. 1) ou -Vo (la troisième période P3 sur la Fig. 1) avant le commencement de l'impulsion de synchronisation suivante. Ces valeurs de référence de la tension déterminent les valeurs de seuil du changement du champ magnétique AB0. Au moment du temps t2 où la tension de sortie de l'intégrateur est égale à 2887991 13 une des tensions de référence %OUT = V0, le flanc arrière de l'impulsion S2(t) et le flanc avant de l'impulsion S3(t) de commande du correcteur 6 sont générés(Fig. 1). A ce moment, le signal de sortie VH(t2) du driver du convertisseur galvanométrique est mesuré et enregistré dans la mémoire vive.

Dans le cas contraire, si avant la fin de la période (par exemple, la deuxième période P2) la variation du champ magnétique ne dépasse pas la valeur de seuil AB , l'impulsion de synchronisation S1(t) annulera la tension de l'intégrateur pendant la période suivante. Par conséquent, l'impulsion S3(t) ne sera pas formée. De cette façon, en cas de variation insignifiante du champ magnétique, quand la précision du fonctionnement de l'intégrateur est faible, la correction de la fonction de transformation du dispositif de mesure du champ magnétique ne s'effectue pas.

Le correcteur 6 (Fig. 3) calcule le coefficient KB liant l'intervalle de temps At = t2 - t1, qui a été déterminé par le discriminateur de temps et pendant lequel a eu lieu la variation du champ magnétique AB0, aux tensions de sortie VH (tl) , VH(t2) du driver du convertisseur galvanométrique aux limites de cet intervalle de temps selon la formule: K = VH(t2)-VH(tl)

B ABQ (6)

En prenant en considération l'expression (4) et le fait que pendant le temps At la variation du champ magnétique constitue AB0, le coefficient KB se détermine comme: KaKc.. . A VH(2)-VH(ti) r Vo où Vo est la valeur de la tension de référence du circuit du discriminateur de temps.

Par la suite, en mesurant à n'importe quel instant la valeur de la tension VHM du driver du convertisseur galvanométrique, et en utilisant le coefficient KB, on effectue le calcul de l'induction du champ magnétique BM. En particulier, en cas d'approximation linéaire de la fonction de transformation (Fig. 2) la mesure de l'induction du champ magnétique du dispositif aura pour résultat la valeur de l'induction, selon l'invention: M KB (7) B = H

V

M (8)

En cas d'approximation linéaire par segments de la fonction de transformation du dispositif de mesure du champ magnétique, on détermine le coefficient KBj pour chaque segment j de la fonction de transformation.

En cas d'approximation par polynômes de la fonction de transformation, on utilise pour le calcul un système d'équations dans lequel, en particulier, la dépendance du coefficient KB(B) se présente sous forme de la première dérivée dVH/dB.

Le procédé proposé permet d'augmenter la précision de mesure du champ magnétique quasi-statique (l'imprécision de la mesure avec prise en considération du calibrage in situ ne dépassant pas 0.1%) et la sécurité du fonctionnement continu durant quelques années dans des conditions sévères d'exploitation, en 2887991 15 particulier, dans des conditions d'un niveau élevé de radiation pénétrante et de température.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure du champ magnétique quasi-statique comprenant la mesure de la tension de sortie d'un convertisseur galvanométrique et le calcul ultérieur de l'induction du champ magnétique effectué d'après la valeur mesurée de la tension de sortie et celle de la sensibilité du convertisseur galvanométrique prédéterminée par voie de calibrage périodique du convertisseur galvanométrique par établissement du rapport entre une variation du champ magnétique et une variation correspondante de la tension de sortie du convertisseur galvanométrique, caractérisé en ce que l'on effectue le calibrage pendant le processus de mesure du champ magnétique, et la variation du champ magnétique qui est utilisée pour le calibrage du convertisseur est la variation du champ magnétique même mesuré, le calibrage étant effectué seulement dans le cas où la variation du champ magnétique mesurée dépasse une valeur prédéterminée, pendant une durée déterminée.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure la variation du champ magnétique pendant le calibrage par capteur d'induction.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on détermine la valeur de variation du champ magnétique par voie d'intégration de la tension de sortie du capteur d'induction.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur d'induction contient une bobine.

5. Procédé selon l'une quelconque des 35 revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on place le 2887991 17 convertisseur galvanométrique à l'intérieur de la bobine du capteur d'induction.