RU2395101C1

RU2395101C1 - Method of determining magnetic field

Info

Publication number: RU2395101C1
Application number: RU2009117723/28A
Authority: RU
Inventors: Гелий Васильевич Ломаев (RU); Гелий Васильевич Ломаев; Сергей Кронидович Водеников (RU); Сергей Кронидович Водеников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Контроль и безопасность"
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-07-20

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: sensitive element with a rectangular hysteresis loop in an initial state of magnetisation with a defined magnetic field is exposed to a sum of a linearly increasing magnetic field, as well as high-voltage alternating magnetic field whose amplitude exceeds the initial field. Remagnetisation discontinuities are detected. Increase of the linearly increasing magnetic field is stopped after achieving equality between time intervals between remagnetisation discontinuities caused by the high-voltage magnetic field. The magnetic field is determined from the value of the increasing magnetic field attained at that moment. ^ EFFECT: reduced power consumption due to shorter measurement time. ^ 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано в приборах измерения амплитуды напряженности магнитного поля, в т.ч. для аттестации рабочих мест на соответствие установленным требованиям.The invention relates to the field of magnetic measurements and can be used in devices for measuring the amplitude of the magnetic field, including for certification of workplaces for compliance with established requirements.

Известен способ измерения магнитного поля с помощью феррозонда, в котором используются нелинейные магнитные свойства сердечников (Афанасьев Ю.В., Студенцов В.Н., Хорев В.Н., Чечурина Е.Н., Щелкин А.П. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. - Л.: Энергия. - 1972). Недостатком известного технического решения является высокое энергопотребление, делающее его малопригодным для портативных малогабаритных приборов.A known method of measuring the magnetic field using a flux gate, which uses the nonlinear magnetic properties of the cores (Afanasyev Yu.V., Studentsov V.N., Khorev V.N., Chechurina E.N., Shchelkin A.P. Magnetometric transducers, devices , installations. - L.: Energy. - 1972). A disadvantage of the known technical solution is the high power consumption, making it unsuitable for portable small-sized devices.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения магнитного поля (Ломаев Г.В., Мерзляков Ю.М. Эффект Баргаузена. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. - 164 с.), заключающийся в том, что чувствительный элемент с прямоугольной петлей гистерезиса периодически перемагничивают линейно изменяющимся магнитным полем, регистрируют скачки перемагничивания и по интервалу времени между скачками определяют величину напряженности измеряемого поля.Closest to the proposed technical solution, selected as a prototype, is a method of measuring the magnetic field (Lomaev G.V., Merzlyakov Yu.M. Bargausen effect. - Izhevsk: IzhGTU Publishing House, 2004. - 164 p.), Which consists in the fact that a sensitive element with a rectangular hysteresis loop is periodically magnetized by a linearly changing magnetic field, magnetization reversal jumps are recorded, and the magnitude of the measured field is determined from the time interval between the jumps.

Недостатком известного технического решения является высокое энергопотребление, обусловленное необходимостью периодического перемагничивания полем, превышающим максимальное измеряемое поле, достаточное для усреднения флуктуации поля старта число раз.A disadvantage of the known technical solution is the high power consumption, due to the need for periodic magnetization reversal by a field that exceeds the maximum measured field, sufficient to average the fluctuation of the start field a number of times.

Предлагаемое изобретение направлено на сокращение времени измерения и снижение энергопотребления при измерении магнитного поля.The present invention is aimed at reducing measurement time and reducing energy consumption when measuring a magnetic field.

Указанный результат достигается за счет того, что линейно нарастающее поле используется однократно, а многократное перемагничивание для усреднения флуктуации поля старта производится существенно меньшим по амплитуде по сравнению с измеряемым полем высокочастотным магнитным полем, в результате чего длительность процесса измерения существенно уменьшается.The indicated result is achieved due to the fact that the linearly increasing field is used once, and multiple magnetization reversal for averaging the fluctuations of the start field is significantly lower in amplitude compared to the measured field by a high-frequency magnetic field, as a result of which the duration of the measurement process is significantly reduced.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе измерения напряженности магнитного поля, при котором на чувствительный элемент с прямоугольной петлей гистерезиса воздействуют линейно нарастающим магнитным полем и регистрируют скачки перемагничивания, дополнительно воздействуют переменным высокочастотным магнитным полем. Изменение линейно нарастающего магнитного поля прекращается после достижения равенства интервалов между скачками перемагничивания от воздействия высокочастотного магнитного поля и по величине достигнутого в этот момент линейно нарастающего магнитного поля определяют измеряемое поле.The essence of the invention lies in the fact that in the method of measuring the magnetic field strength, in which a sensor with a rectangular hysteresis loop is affected by a linearly increasing magnetic field and magnetization reversal jumps are recorded, they are additionally exposed to an alternating high-frequency magnetic field. The change in the linearly increasing magnetic field stops after the equality of the intervals between the magnetization reversal jumps from the action of a high-frequency magnetic field is achieved and the measured field is determined by the magnitude of the linearly increasing magnetic field reached at that moment.

Воздействие на чувствительный элемент с прямоугольной петлей гистерезиса переменным высокочастотным полем позволяет определить момент выхода в режим компенсации измеряемого поля, тем самым, в отличие от прототипа, обеспечить измерение за счет однократного воздействия линейно нарастающим полем. При этом многократное перемагничивание для усреднения флуктуации поля старта производится существенно меньшим по амплитуде по сравнению с измеряемым полем высокочастотным магнитным полем, в результате чего длительность процесса измерения существенно уменьшается. Прекращение изменения линейно нарастающего поля в момент равенства интервалов позволяет максимально быстро определить режим компенсации и минимизировать время измерения при сохранении точности, свойственной прототипу. В результате чего достигается уменьшение энергопотребления.The impact on the sensitive element with a rectangular hysteresis loop with an alternating high-frequency field allows you to determine the moment of entering the mode of compensation of the measured field, thereby, unlike the prototype, to ensure measurement due to a single exposure to a linearly increasing field. In this case, multiple magnetization reversal for averaging the fluctuations of the start field is significantly smaller in amplitude compared to the measured field by a high-frequency magnetic field, as a result of which the duration of the measurement process is significantly reduced. The cessation of changes in the linearly increasing field at the time of equal intervals allows you to quickly determine the compensation mode and minimize the measurement time while maintaining the accuracy inherent in the prototype. As a result, a reduction in energy consumption is achieved.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена диаграмма воздействия на образец результирующего поля H_рез в процессе измерения относительно характеристики перемагничивания чувствительного элемента, поясняющая принцип измерения; на фиг.2 и фиг.3 изображены временные диаграммы формирования сигналов от скачков перемагничивания высокочастотным переменным магнитным полем при условии, что поле компенсации H_к меньше H_изм (фиг.2) и H_к=H_изм (фиг.3).The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a diagram of the impact on the sample of the resulting field H _cut in the measurement process relative to the magnetization reversal of the sensor element, explaining the principle of measurement; 2 and 3 are timing diagrams of the signal generating high-frequency alternating jumps magnetization reversal by a magnetic field under condition that the compensation field H _to H _edited less (Figure 2) and _to H = H _rev (Figure 3).

Предлагаемый способ измерения напряженности магнитного поля осуществляют следующим образом.The proposed method for measuring the magnetic field is as follows.

В исходном состоянии чувствительный элемент с прямоугольной петлей гистерезиса, которым является магнитный компаратор, намагничен измеряемым полем H_изм, направленным вдоль оси чувствительного элемента, и для перемагничивания его в противоположное направление необходимо приложить обратное поле, равное по амплитуде H_изм+H_с (фиг.1), где Н_с и -Н_с - поля старта чувствительного элемента. В соответствие с предложенным способом на чувствительный элемент воздействуют суммой линейно нарастающего поля компенсации H_к и высокочастотного переменного магнитного поля H_пер, вследствие чего результирующее поле H_рез=H_изм-(H_к+H_пер) изменяется со временем и, по достижении момента, когда H_к+H_пер по амплитуде достигает H_изм+H_с, происходит первый скачок намагниченности. Вследствие того, что H_пер по амплитуде больше Н_c, то при дальнейшем изменении поля компенсации H_к (на фиг.2 показано пунктирной линией) начинают периодически повторяться скачки перемагничивания чувствительного элемента. Временные интервалы T₁ и Т₂ определяются и сравниваются между собой, при H_к<H_изм в силу асимметрии переменного магнитного поля относительно измеряемого поля интервалы T₁ и Т₂ не равны (фиг.2).In the initial state, a sensitive element with a rectangular hysteresis loop, which is a magnetic comparator, is magnetized by a measured field H _ISM , directed along the axis of the sensor, and for magnetization reversal it is necessary to apply a reverse field equal in amplitude to H _IS + H _s (Fig. 1), where Н _с and -Н _с are the start fields of the sensitive element. In accordance with the proposed method, the sensitive element is affected by the sum of a linearly increasing compensation field H _k and a high-frequency alternating magnetic field H _per , as a result of which the resulting field H _res = H _meas - (H _k + H _per ) changes with time and, upon reaching the moment, when H _k + H _per amplitude reaches H _ISM + H _s , the first magnetization jump occurs. Due to the fact that H _per amplitude is greater than H _c , with a further change in the compensation field H _k (shown in Fig. 2 by a dashed line), magnetization reversal jumps of the sensing element begin to periodically repeat. The time intervals T ₁ and T _{2 are} determined and compared with each other, when H _to <H _ISM due to the asymmetry of the alternating magnetic field relative to the measured field, the intervals T ₁ and T _{2 are} not equal (figure 2).

По достижении равенства H_изм=H_к интервалы T₁ и Т₂ между скачками становятся равными и рост H_к прекращают (фиг.3). Величину поля компенсации H_к в этот момент фиксируют и определяют по ней измеряемое поле H_изм.Upon reaching the equality H _ISM = H _{to the} intervals T ₁ and T ₂ between jumps become equal and the growth of H _to stop (figure 3). The value of the compensation field H _k is fixed at this moment and the measured field H _meas .

Пример выполнения способа. Испытания предлагаемого способа проводили на доработанном варианте прибора ИГМП-3, который представляет собой трехкомпонентный портативный магнитометр на основе феррозондов на бистабильных элементах из аморфного сплава (Ломаев Г.В., Васильев М.Ю., Кочетова Д.В. Трехкомпонентный портативный магнитометр на основе феррозондов на бистабильных элементах из аморфного сплава // Дефектоскопия. - 2001. - №3. - С.38-44). В качестве чувствительных элементов в приборе используются бистабильные сердечники из аморфного микропровода на основе Fe-Co-сплавов (Ломаев Г.В., Каримова Г.В. Датчики Баргаузена. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. - 368 с.). Доработка прибора включала замену генератора линейно изменяющегося периодического тока перемагничивания на генератор линейно нарастающего тока и генератор высокочастотного переменного тока перемагничивания частотой 50 кГц, выходные сигналы которых суммировались. Программа микропроцессора, используемого в приборе, была доработана на предмет возможности измерения и сравнения временных интервалов между скачками перемагничивания и формирования сигнала остановки роста линейно нарастающего тока в момент равенства временных интервалов. При реализации способа прототипа на одно измерение затрачивалось 10 с (время измерения определяется в т.ч. небходимостью усреднения результатов, разброс между которыми обусловлен флуктуациями поля старта). При реализации предлагаемого способа время измерения сократилось до 0,5 с, соответственно энергозатраты на проведение одинакового числа измерений сократились в 15 раз при сохранении необходимой точности измерений.An example of the method. Tests of the proposed method were carried out on a modified version of the IGMP-3 device, which is a three-component portable magnetometer based on flux-gates based on bistable elements from an amorphous alloy (Lomaev G.V., Vasiliev M.Yu., Kochetova D.V. Three-component portable magnetometer based on of fluxgates on bistable elements from an amorphous alloy // Defectoscopy. - 2001. - No. 3. - P.38-44). Bistable cores from an amorphous microwire based on Fe-Co alloys are used as sensitive elements in the device (Lomaev GV, Karimova GV. Bargauzen sensors. - Izhevsk: IzdGTU Publishing House, 2008. - 368 p.). The refinement of the device included the replacement of a ramp generator with a ramp current generator and a 50 kHz high-frequency alternator magnetization reversal magnetizer, the output signals of which were summed. The microprocessor program used in the device was refined for the possibility of measuring and comparing time intervals between magnetization reversal jumps and generating a signal to stop the growth of a linearly increasing current at the time of equal time intervals. When implementing the prototype method, it took 10 s for one measurement (the measurement time is determined by the necessity of averaging the results, the spread between which is caused by fluctuations in the start field). When implementing the proposed method, the measurement time was reduced to 0.5 s, respectively, the energy consumption for the same number of measurements was reduced by 15 times while maintaining the required measurement accuracy.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить сокращение времени измерения и снижение энергопотребления.Thus, the proposed technical solution allows to reduce the measurement time and reduce energy consumption.

Claims

The method of determining the magnetic field, which consists in the fact that in the initial state magnetized by a detectable magnetic field, a sensing element with a rectangular hysteresis loop is affected by the sum of a linearly increasing magnetic field and a high-frequency alternating magnetic field with an amplitude exceeding the start field, and magnetization reversal jumps are recorded, stop growth of a linearly increasing magnetic field after the equality of the time intervals between the magnetization reversal jumps due to the high-frequency magnetic field and the largest made at this point linearly increasing magnetic field, the magnetic field is determined.