RU1800411C - Устройство дл измерени градиента магнитной индукции - Google Patents

Abstract

Применение: измерительна  техника, дл  измерени  градиента магнитной индукции источников пол , а также дл  определе- ни  векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами этого источника,  вл ющегос  изделием из ферромагнитных масс, с осуществлением контрол  качества изготовлени  этого издели . Суть изобретени : устройство содержит три трехкомпо- нентныхмагниточувствительных преобразовател , каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональных одноком- понентных преобразователей 1-3, 4-6, 7-9. дев ть усилительно-преобразовательных блоков 10-18, три блока 19-21 вычитани , генератор 22 переменной ЭДС, один выход которого подключен к входам магниточувствительных преобразователей, а другой - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, и дев ть компенсационных обмоток 23-31, расположенных на трехком- понентных преобразовател х так, что ось каждой компенсационной обмотки соосна с осью соответствующего однокомпонентно- го преобразовател . 1 ил. СО с

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  градиента магнитной индукции источников пол , составл ющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами этого источника пол ,  вл ющегос  изделием из ферромагнитных масс, с осуществлением контрол  качества изготовлени  данного издели .

Цель изобретени  - повышение точности измерени  градиента вектора магнитной индукции, созданной источником пол , и обеспечение возможности определени  векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол .

На чертеже изображена структурна  схема устройства дл  измерени  градиента магнитной индукции.

Устройство состоит из трех трехкомпо- нентных магниточувствительных преобразователей , каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональных однокомпо- нентных преобразователей 1-3, 4-6, 7-9, дев ти усилительно-преобразовательных блоков 10-18, трех блоков 19-21 вычитани , генератора 22 переменной ЭДС и дев ти компенсационных катушек 23-31.

Первые входы усилительно-преобразовательных блоков 10, 11, 16 подключены к выходам соответствующих, преобразователей 3, 9, 6, оси которых параллельны. Первые входы блоков 12, 13, 17 подключены к выходам соответствующих преобразователей 2, 8, 5, оси которых параллельны. Первые входы блоков 14, 15, 18 подключены к выходам соответствующих соосных преобразователей 1, 7, 4. Выход А генератора 22 подключен к входам преобразователей 1-9, а выход С -.к вторым входам блоков 10-18. Выходы блока 16 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 25, 28, 31. оси которых параллельны оси преобразовател  3. Выходы блока 17 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 23, 26, 29, оси которых параллельны оси преобразовател  2. Выходы блока 18 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 24, 27, 30, оси которых соосны с преобразователем 1, при этом преобразователи 1, 4, 7 соосны с осью OY декартовой системы координат OXYZ с началом координат в точке 0. Преобразователи 2, 5, 8 параллельны оси ОХ и преобразователи 3, 6, 9 параллельны оси OZ упом нутой системы координат.

В предлагаемом устройстве магнито- чувствительные преобразователи 1-9, усилительно-преобразовательные блоки

10- 18 и генератор 22 переменной ЭДС выполнены аналогично, как и в известном устройстве дл  измерени  параметров магнитного пол  (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.117), При этом каждый усилительно- преобразовательный блок 10-18, подключенныйк соответствующему преобразователю, состоит из избиратель0 ного усилител  и синхронного детектора (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.117; Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В ЩелкинА.П.Магнитометрические преобразователи.

5 приборы, установки. Л.; Энерги , 1972, с.155). Блоки 19-21 вычитани  представл ют собой вычитающие усилители, которые могут быть выполнены на операционных усилител х типа 140УД17А по известной

0 схеме.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На входы преобразователей 1-9 подаетс  с генератора 22 переменна  ЭДС, воз5 буждающа  эти преобразователи. В результате этого на выходе каждого из преобразователей 1-9 по вл етс  ЭДС второй гармоники, пропорциональна  соответствующей составл ющей вектора магнитной ин0 дукции. Выходные сигналы с преобразователей 1-9 усиливаютс  и детектируютс  блоками 10-18. Выходные сигналы с блоков 10 и 11,12 и 13,14 и 15 подаютс  на соответствующие блоки 19-21 вычита5 ни . Сигналы с блоков 19-21 пропорциональны разност м проекций векторов магнитной индукции между основными преобразовател  1и 7, 2 и8, 3 и 9. С учетом рассто ни  между упом нутыми преобразо0 вател ми выходные сигналы с блоков 1921 градуируютс  в сигналы, пропорциональные пространственным производным вектора магнитной индукции, т.е. пропорциональные составл ющим градиен5 та вектора магнитной индукции. Сигналы с блоков 16-18 пропорциональны значени м составл ющих вектора магнитной индукции в месте расположени  преобразователей 4- 6. Так, сигнал с блока 16 пропорционален

0 значению составл ющей вектора магнитной индукции -Bze. сигнал с блока 17 пропорционален значению составл ющей вектора магнитной индукции Ву4, сигнал с блока 18 пропорционален значению составл ющей

5 вектора магнитной индукции Bxs. Эти выходные сигналы подаютс  с блока 16 на компенсационные обмотки 25, 28, 31, с блока 17 на компенсационные обмотки 23, 26, 29, с блока 18 на компенсационные обмотки 24, 27. 30. Компенсационные обмотки 23-31

воспроизвод т подающиес  на них электрические сигналы в составл ющие вектора магнитной индукции, равные по величине, но противоположные по направлению составл ющим вектора магнитной индукции В2 {Вх5, Ву4, Bze}. измеренным преобразовател ми 4, 5, 6, осуществл   тем самым компенсацию однородного магнитного пол  в объемах основных и дополнительных магниточувствительных преобразователей, что повышает точность измерени  составл ющих градиента магнитной индукции,изме- ренных основными преобразовател ми, более чем на пор док по сравнению с известными устройствами, в частности, прин - тыми за аналог и прототип, Так, например, в предлагаемом устройстве с помощью преобразователей 4, 5, 6 осуществл ютс  изме- рение составл ющих однородного магнитного пол  Земли 5-10 нТл и компен- саци  этого пол  в объемах основных магни- точувствительных преобразователей. Предположим, что поле недокомпенсации составл ет 50 нТл (поле недокомпенсации можно уменьшить до единиц и даже до де- с тых долей нанотесел). При неидентичности чувствительностей основных магниточувствительных преобразователей и при непараллельности магнитных осей этих преобразователей 4 - 5 максимальный ложный сигнал градиента магнитной индукции в предлагаемом устройстве по сравнению с известными устройствами станет от неидентичности чувствительностей преобразователей 1-10 нТл дл  предлагаемого устройства и 1 нТл дл  устройств, прин тых за аналог и прототип, от непараллельности осей преобразователей 2-10 нТлдл  предлагаемого устройства и 2 нТл дл  устройств, прин тых за аналог и прототип. Таким обра- зом, в предлагаемом устройстве точность измерени  градиента магнитной индукции на три пор дка выше, чем в известных .устройствах .

Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с устройствами, прин тыми за аналог и прототип , обеспечивает возможность определени  составл ющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол , по измеренным разност м проекций векторов магнитной индукции, например, между преобразовател ми 1 и 7, 4 и 7, 2 и 8, 5 и 9, 6 и 9. Возможность определени  упом нутых векторов магнитной индукции позвол ет наиболее эффективно и с меньшей остаточной намагниченностью , а значит, и с более высокой точностью осуществл ть размагничивание ферромагнитных тел, в частности спутников

Земли,  вл ющихс  носител ми магнитометрической аппаратуры (Афанасьев Ю.В.. Биличенко С.В., Бобков Ю.Н. и др. Измерение вариаций геомагнитного пол  в диапазоне частот 0,1 - 8 Гц на спутнике Интеркосмос-Болгари -1300, Nauch. apparat., 1987,2, 2, p.15-27), а также обеспечивать более высокую точность определени  значени  дипольного магнитного момента источника пол , исключив вли ние магнитной индукции, созданной квадрупольным магнитным моментом.

Дл  определени  составл ющих векторов магнитной индукции, созданных дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол , которым может быть любое намагниченное тело, располагают это тело так. чтобы его геометрический центр находилс  приблизительно на оси OY, а отрезок пр мой, соедин ющий максимально удаленные друг от друга две точки поверхности тела, ориентировочно был бы перпендикул рен оси OY. Принима  за точку приведени  магнитного момента геометрический центр тела, измер ют предлагаемым устройством значени  разностей проекций векторов магнитной индукции . По измеренным разност м проекций векторов магнитной индукции и рассто ни м между геометрическим центром тела и преобразовател ми определ ют значени  магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол , например, дл  местоположени  преобразователей 1-3 из следующих выражений:

0000 ОО

B i Ј|-- r -2 xm:22Mym:-5; П т 1 т 1т 4

Ј

1

7

- 92 х : Э2у : -32/

- где Вт и ЕЙ - векторы магнитной индукции.

созданные дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол :

П ут - рассто ние от близлежащего (первого) трехкомпонентного магниточувст- вительного преобразовател  до геометрического центра источника пол :

Г2 У2. гз уз - рассто ни  от дополнительного и второго основного трехкомпонент- ных магниточувствительных преобразователей

до геометрического центра источника пол : оо.

Ј Мхт - 1 Вх28 ( - ) - т

- Вх58 (гГ4 - гГ4) д;

оо

4тг,

(гГ-г3-4)ГТ1 - 1

-Ву47(гГ4-г2-4);

00

ч . .Ц Jl г. / -Л -А

ZMzm -jjЈ BZ39 (Г2 - Г3 Ч) m -1

-В2б9(гГ4-г2-4);

А(гГ3-г2-3) (г2-4-гз 4 Мг2-3-г3-3) (rH-V), Т-знак транспонировани  матрицы;

Вх28 Вх2 - Вхв; ВХ58 BY17

BYI-BY ;

BY47 BY4-BY7;BZ39 BZ3-BZ9; Bz69 Bz6-Bz9

- разности проекций векторов магнитной индукции между преобразовател ми 2 и 8, 5 и 8, 1 и 7, 4 и 7, 3 и 9, 6 и 9;

4 П Bx58(rY3-r;f 3)-Вх28(г2 3-гз 3) ;

Э2Х ,«о

a2Y

4  ,Мо

ВУ47()-ВУ17() д I

32Z - ТГ BZ69( ,

Lr2-3)-Bz39(r2-3-r3 3) 4; 30

,-7

.

.

jU0 4 л: 10 Гн/м.

Магнитна  индукци , созданна  магнитным моментом n-го пор дка, где п 1, 2,...,.затухает от рассто ни  в гп+ раза. Так, например, магнитное поле, созданное магнитным моментом третьего пор дка, и магнитное поле, созданное магнитным моментом четвертого пор дка, по сравне нию с магнитным моментом первого пор д ка (дипольным магнитным моментом) ослаблено на рассто нии г от мультипол  соответственно в г и г раз. Поэтому дл  определени  магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитны ми моментами, на практике часто бывает достаточно измерить параметры магнитного пол  в трех точках пространства при наименьшем рассто нии от точки, выбранной на поверхности тела,до первой точки наблюдени , примерно равном или превышающем 3/4 максимального линейного размера исследуемого источника магнитного пол .

Определим значение магнитной индукции , созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами, и оценим погрешность определени  дипольного магнитного момента тела, выполненного, например , в виде струны длиной 2 м.

10

i5

20

25

30

355

Jl

40

45

-

50

55

Геометрический центр струны совпадает с началом координат в точке О, при этом струна лежит на оси ОХ. В двух точках струны с координатами (1 мм; 0: 0) и (0; 0; 0) наход тс  два дипольных источника пол  с магнитными моментами Mi{ 5 Ам2; 0; 0} и М2 {5Ам 0; 0}. Три трехкомпонентных магниточувст- вительных преобразовател  относительно начала координат имеют следующие местоположени : I -(0; 1,5 м; 0), II -(0; 2 м; 0), III - (0; 1,7 м; 0). Реша  пр мую задачу, определим Вх28 -74,32 нТл, 8x58 36,29 НТл,.Ву17 64,5гнТл, BY47 -31,78 нТл, Вгзэ iBz69 0.

Определим теперь по измеренным параметрам магнитного пол  и местоположени м трехкомпонентных магниточувствительных преобразователей значени  проекций векторов магнитной индукции созданной диполь- ным и квадрупольнь м источниками магнитного пол , например, в точке 1(0; 1,5 м; 0):

Вх -239,1 нТл, BY 221,6нТл. Bz 0. Вх 93,4 нТл, BY -92,9 нТл; Bz 0.

..:, Дипольный магнитный момент по результатам измерений имеет значение М 8,90 Ам2. Истинное значение дипольного магнитного момента струны равно 10 Ам , следовательно,относительна  методическа  погрешность магнитного момента 11%. При среднем квадратическом от- клонении результатов наблюдений разно- стей проекций векторов магнитной индукции 0,1 нТл относительна  инструментальна  погрешность определени  магнитного момента составит дм 2%. В известном устройстве, прин том за прототип , не исключаетс  вли ние квадрупольно- го магнитного момента. Поэтому в известном устройстве значение дипольного магнитного момента, полученное по измеренным разност м проекций векторов магнитной индукции дл  точек наблюдени  II и III, М 5,04 Ам , а относительна  методическа  погрешность этого момента дм 49,6%. На рассто нии 20 м (рассто ние от второго трехкомпонентного магнитометрического преобразовател  в 10 раз превышает максимальный линейный размер тела).от геометрического центра тела методическа  погрешность определени  магнитного момента составит дм 0,8%. Однако даже при среднем квадратическом отклонении результатов наблюдений разностей проекций векторов магнитной индукции, равном 0,01 нТл, относительна  инструментальна  погрешность определени  магнитного момента составит более 100%.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерени  градиента магнитной индукции более чем на пор док, а также обеспечивает возможность определени  магнитной индукции, со- зданной как дипольным, так и квадрупольным магнитными моментами. Использование в за вл емом устройстве вычислительного блока позволит автоматизировать процесс вычислени  составл ющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол , и составл ющих вектора дипольного магнитного момента этого источника, Дл  этого выходы блоков 11, 13, 15 и 19-21 следует подключить к входам ЭВМ, например, Электроника-60. В предлагаемом устройстве трехкомпонентные магниточувстви- тельные преобразователи могут быть выполнены с совмещенными магнитными центрами, в каждом из которых магниточув- ствительные элементы представл ют собой два замкнутых ферромагнитных сердечника (Афанасьев Ю.В. Феррозондовы е приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.55).

Claims (1)

1. Формулаизобретени  Устройство дл  измерени  градиента магнитной индукции источника пол , содержащее два трехкомпонентных магниточув- ствительных преобразовател , каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональ- ных однокомпонентных преобразователей, шести усилительно-преобразовательных блоков , первый вход каждого из которых подключен к соответствующему выходу однокомпонентного преобразовател , трех блоков вычитани , каждый из которых подключен к выходам двух усилительно-преобразовательных блоков, подключенных к выходам однокомпонентных преобразователей с коллинеарными ос ми, два из которых соосны, выходы блоков вычитани   вл ютс  выходом устройства, и генератор переменной ЭДС, один выход которого подключен к входам магниточувствительных преобразователей, а второй - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, отличаю щеес тем, что, с целью повышени  точности и расширени  функциональных возможностей, заключающемс  в обеспечении возможности определени  векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника пол , он снабжен дополнительным трехкомпонентным магнито- чувствительным преобразователем, состо щим из трех взаимно ортогональных однокомпонентных преобразователей, оси которых коллинеарны ос м основных преобразователей , трем  дополнительными усилительно-преобразовательными блоками и дев тью компенсационными обмотками , расположенными на трехкомпонентных преобразовател х так, что ось каждой компенсационной обмотки соосна с осью соответствующего однокомпонентного преобразовател , при этом один из дополнительных однокомпонентных преобразователей соосен с двум  основными од покомпонентны ми преобразовател ми, первые входы дополнительных усилительно-преобразовательных блоков подключены к соответствующим выходам дополнительных однокомпонентных преобразователей , а вторые входы этих блоков подключены к второму выходу генератора переменной ЭДС, выходы каждого дополнительного усилительно-преобразовательного блока подключены к соответствующим трем компенсационным обмоткам, оси которых коллинеарны, входы дополнительных однокомпонентных преобразователей подключены к первому выходу генератора переменной ЭДС.