SU917148A1 - Способ измерени магнитной индукции в жидких магнитных средах - Google Patents

Description

Изобретение относится к магнитным, измерениям, в частности измерениям магнитной индукции в жидких средах с повышенной магнитной восприимчивостью, например, в магнитных жидкостях и магнитных суспензиях. ⁵

Известен способ измерения магнитной индукции в средах или телах с высокой магнитной восприимчивостью, предусматривающий создание в них узкой полости, перпендикулярной вектору.индукции и размещение в ней плоского магниточувсгвительного преобразователя, например преобразователя Холла [1].

Недостатком данного устройства яв- ляется то, что условие узкой полости обеспечивает равенство индукций поля в среде (теле) и в зазоре, однако ограничивает область используемых прёоб* разователей только теми, которые йме- _м ют малую толщину.

Известен способ измерений индукции в жидких средах, использующий магниточувствительный преобразователь, заключенный в немагнитную оболочку? Оболочка предохраняет преобразователь от контакта с жидкостью и принимает на себя давление среды. Этот способ использован в морском протонном магни тометре, в котором ядерно-магнитнорезонансный преобразователь (ЯМР) заключен в гондолу-оболочку, буксируемую за судном. [2] .

Недостаток известного способа состоит в том, что преобразователь вместе с оболочкой трудно сделать малой толщины (по отношению к длине или диаметру). В результате возникает дополнительная погрешность измерения, зависящая от формы оболочки и величины магнитной восприимчийости.

Цель изобретения - повышение точности измерений магнитной индукции в жидких средах.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения магнитной индукции е жидких магнитных средах, основанном на введении в среду магни3 точуветвительного преобразователя, заключенного в немагнитную осесиммет. ричную оболочку, ориентировании оси максимальной чувствительности преобразователя и оси оболочки вдоль век-₄ тора магнитной индукции и измерении магнитной индукции внутри оболочки, периодически изменяют форму оболочки магниточувствительного преобразователя , внутри оболочки выделяют при постоянном внешнем магнитном поле постоянную составляющую индукции и составляющую с частотой изменения формы, а при переменном внешнем магнит- '' ном поле - составляющую с частотой внешнего поля и составляющую с комбинационными частотами, образованными частотой внешнего поля и частотой изменения формы, и по величинам обеих составляющих индукции судят об измеряемой магнитной индукции, при этом магнитную индукцию в среде определяют по формуле

Bi

0)

В) ^В2

BeB)N_om где В_е - индукция постоянного или амплитуда индукции переменного магнитного поля в среде;

— постоянное значение ^1ли амплитуда первой составляющей индукции поля внутри оболочки;

— амплитудное значение или суммарная амплитуда слагаемых второй составляющей магнитной индукции внутри оболочки;

— среднее значение коэффициента формы оболочки;

—глубина модуляции.коэффициента формы.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

Устройство содержит немагнитную . эластичную оболочку 1, внутри которой размещен магниточувствительный преобразователь 2, основанный на эффекте Холла. Модуляция коэффициента формы оболочки обеспечивается электрогидравлической системой 3, преобразующей электрические колебания в колебания давления жидкости.

• Электрогидравлическая система 3 управляется генератором 4 низкой или инфранизкой частоты Я . Магниточувствительный преобразователь 2 питает917148 4 ся от второго генератора 5 высокой частоты ω. в результате модуляции коэффициента формы оболочки индукции магнитного поля, действующего на преобразователь, имеет постоянную составляющую и переменную с частотой модуляции 17 . Выходной сигнал магниточувствительного преобразователя 2 имеет соответственно составляющую с частотой тока питания cJ и составляющую с комбинационными частотами . Обе составляющие усиливаются усилителем высокой частоты би подаются на первый синхронный детектор 7, управляемый сигналом с частотой тока питания преобразователя. На выходе первого синхронного детектора 7 образуется сигнал нулевой частоты (постоянное напряжение), пропорциональный постоянной составляющей индукции поля в преобразователе, и сигнал с частотой модуляции J? , пропорциональный переменной составляющей индукции этого поля. Выделение этих сигналов осуществляется первым и вторым усилителями 8 и 9, и вторым синхронным детектором 10, Твердый усилитель 8 постоянного тока усиливает сигнал нулевой частоты и не пропускает -сигнал частоты модуляции за счет узкой полосы пропускания. Второй усилитель 9 низкой частоты усиливает сигнал с частотой У? и не' пропускает постоянную составляющую. Второй синхронный детектор 10, управляющий напряжением с частотой модуляции, преобразует сигнал с частотой# в постоянное напряже'ние.

Таким образом, на выходе первого усилителя 8 возникает постоянное напряжение, пропорциональное постоянной составляющей магнитной индукции внутри оболочки (В,), а на выходе второго синхронного.детектора 10 постоянное напряжение, пропорциональное переменной составляющей индукции с частотой модуляции (Bj). С помощью счетно-решающего устройства (микропроцессора) 11, реализующего вычисления по формуле (1), определяется истинное значение магнитной индукции в среде.

В качестве магниточувствитёльного преобразователя 2 может использоваться как обычный преобразователь Холла, так и кольцевой гальваномагнитный преобразователь, обладающий на порядок меньшим порогом чувствитель10 ности к индукции постоянных магнит- где ных полей.

Периодическое изменение форм оболочки осуществляют путем создания внутри нее пульсирующего давления с 5 помощью пневматических, гидравлических, электромеханических или других аналогичных средств. Оболочку выполняют частично или полностью эластичной, либо с перемещающимися герметич-to ными элементами. Воздействие на о(5олочку осуществляют так, чтобы получить модуляцию коэффициента формы оболочки в направлении оси максималь’ной чувствительности преобразователя. 15

Предпочтительной формой оболочки является форма эллипсоида вращения, : ориентированного вместе с размещенным внутри нее преобразователем так, jo чтобы ось оболочки и ось максимальной чувствительности преобразователя были направлены вдоль вектора индукции магнитного поля в среде. Модуляция .коэффициента формы такой оболочки до-25 стигается периодическим растягиванием и сжатием эллипсоида вдоль его’ оси, либо периодическим изменением диаметра эллипсоида.

В качестве магниточувствительных преобразователей целесообразно использовать магнитопрозрачные преобразователи (гальваномагнитные, ЯМР-преобразоватеПй), не нарушающие однород-35 ности магнитного поля внутри оболочки и дающие простую,зависимость магнитной индукции, измеряемой преобразователем, от магнитной индукции в среде. .40

Модулйцию коэффициента формы оболочки изменяют по гармоническому закону

N = N_o(1 + m cosftt), ш « 1 (2) , где Я — частота модуляции;

m - глубина модуляции коэффициент та. 50

Индукция В| магнитного поля внутри полой немагнитной эллипсоидальной . оболочки, размещенной в среде так, что ее ось совпадает с вектором индукции поля, равна . ^{В| =} 1 + · ' ⁽³

Be ~ индукция магнитного поля в среде (существующая до внесения оболочки);

N_o -- коэффициент формы оболочки; X — магнитная восприимчивость среды.

Магнитная индукция, воздействующая на преобразователь при постоянном внешнем магнитном поле, в случае магнитопрозрачного преобразователя, равна

В- 1 * х Мт ¹ 1 + <1-^Ве Γ1 + (1-Ν₀)χ]2 B_ecosjit-=. B(*JB₂ cosjlt . (4)

Таким образом, магнитная индукция внутри оболочки имеет постоянную составляющую B_t, не связанную с модуляцией и определяемую средним значением коэффициента формы (N_o), и переменную составляющую с амплитудой В₂‘ и частотой модуляции, которая возникает только при модуляции коэффициента формы, не равной нулю магнитной восприимчивости среды.

При переменном внешнем магнитном поле В = Be cos J? t, действующем в среде с низкой электропроводностью,, магнитная индукция внутри модулируемой оболочки равна . ^В| ’ ΐ+(Ί-Ν_β)Χ ’ ^Вем- ’ ^{COS ω 1 +}

N₀Xm ₁ ⁺ (ί+(·1-Ν₀)ζ)² ‘^Вем 2 [^cos + ⁺ + cos (αί-Λ )t) = cos и/ t + β') + B₂ [cos (uJ + 5l)t + cos(<-d-J?)t

t. e. также имеет две составляющие. Первая составляющая с амплитудой В имеет частоту внешнего магнитного поля и Не связана с модуляцией, вторая состоит из двух слагаемых с комбинационным частотами CjJ + JI , суммарная амплитуда которых В₂. Вторая составляющая возникает только при наличии модуляции и при X / 0.

Преобразователь, установленный внутри модулируемой оболочки, выде⁵⁵ ляют (с использованием частотных ме-:

тодов разделения) и измеряют первую и вторую составляющие индукции, и по величинам этих составляющих (точнее ин— слепри по их постоянным или амплитудным значениям B_t и В₂) судят об индукции В_е магнитного поля в исследуемой жидкой среде. Для случая немагнитной оболочки и магниточувствительного преобразователя индукцию Ве находят по формуле (4), которая получается из (4)/или (5).

Из анализа погрешности предлагаемого способа измерения магнитной дукции в жидких магнитных средах дует оценка <5 В_е ,5%.

Способ может найти применение исследовании и контроле процессов электрофоретического осаждения пленок магнитных материалов из магнитных суспензий и в других целях.

Claims (2)

1. -Г- Изобретение относитс  к магнитным, измерени м, в частности измерени м магнитной индукции в жидких средах с повышенной магнитной восприимчивостью например, в магнитных жидкост х и магнитных суспензи х. Известен способ измерени  магнитной индукции в средах или телах с высокой магнитной восприимчивостью, пре дусматривающий создание в них узкой полости, перпендикул рной вектору.индукции и размещение в ней плоского магниточувст ительного преобразовател , например преобразовател  Холла 1 Недостатком данного устройства  вл етс  то, что условие узкой по ости обеспечивает равенство индукций пол  в среде (теле) и в зазоре, однако ограничивает область используемых преоб разователей только теми, которые Имеют малую толщину. Известен способ измерений индукции в жидких средах, использующий магниточувствительный преобразователь, заключенный в немагнитную оболочку. Оболочка предохран ет преобразователь от контакта с жидкостью и принимает на себ  давление среды. Зтот способ использован в морском протонном магнитометре , в котором  дерно-магнитнорезонансный преобразователь (ЯМР) заключен в гондолу-оболочку, буксируемую за судном. f2 . Недостаток известного способа состоит в том, что преобразователь вместе с оболочкой трудно сделать малой толщины (по отношению к длине или диаметру). В результате возникает дополнительна  погрешность измерени , завис ща  от формы оболочки и величины магнитной восприимчивости. Цель изобретени  - повышение точности измерений магнитной индукции в жидких средах. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени  магнитной индукции в, жидких магнитных средах, основанном на введении в среду магниточувствительного преобразовател , заключенного в немагнитную осесимметричную оболочку, ориентировании оси максимальной чувствительности преобразовател  и оси оболочки вдоль вектора магнитной индукции и измерении магнитной индукции внутри оболочки, периодически измен ют форму оболочки магниточувствительного преобразовате л , внутри оболочки выдел ют при посто нном внешнем магнитном поле посто нную составл ющую индукции и составл ющую с частотой изменени  формы , а при переменном внешнем магнитном поле - составл ющую с частотой внешнего пол  и составл ющую с комбинационными частотами, образованными частотой внешнего пол  и частотой изменени  формы, и по величинам обеих составл ющих индукции суд т об измер емой магнитной индукции, при этом магнитную индукцию в среде определ ют по формуле t-(l-No)B2 В,Norn где Bg - индукци  посто нного или ам плитуда индукции переменного магнитного пол  в среде; В, - посто нное значение .или амплитуда первой составл ющей индукции пол  внутри оболоч ки; Вт - амплитудное значение или суммарна  амплитуда слагаемых второй составл ющей магнитной индукции внутри оболочки; NO - среднее значение коэффициен та формы оболочки; m -.глубина модул ции.коэффициента формы. На чертеже представлена функциональна  схема устройства, реализующа предлагаемый способ. Устройство содержит немагнитную эластичную оболочку 1, внутри которой размещен магниточувствительный преобразователь 2, основанный на эффекте Холла. Модул ци  коэффициента формы оболочки обеспечиваетс  электрогидравлической системой 3 преобразующей электрические колебани  в колебани  давлени  жидкости. Электрогидравлическа  система 3 УПравл етс  генератором 4 низкой или инфранизкой частоты Я . Магниточувствительный преобразователь 2 питает с  от второго генератора 5 высокой частоты W. в результате модул ции коэффициента формы оболочки индукции магнитного пол , действующего на преобразователь , имеет посто нную составл ющую и переменную с частотой модул ции / . Выходной сигнал магниточувствительного преобразовател  2 имеет соответственно составл ющую с частотой тока питани  cj и составл ющую с комбинационными частотами (-fi. Обе составл ющие усиливаютс  усилителем высокой частоты 6 и подаютс  на первый синхронный детектор 7, управл емый сигналом с частотой тока питани  преобразовател . На выходе первого синхронного детектора 7 образуетс  сигнал нулевой частоты (посто нное напр жение), пропорциональный посто нной составл ющей индукции пол  в преобразователе, и сигнал с частотой модул ции / , пропорциональный перемечнной составл ющей индукции этого пол . Выделение этих сигналов осуществл етс  первым и вторым усилител ми 8 и 9, и вторым синхронным детектором 10, Твердый усилитель 8 посто нного тока усиливает сигнал нулевой частоты и не пропускает -сигнал частоты модул ции за счет узкой полосы пропускани . Второй усилитель 9 низкой частоты усиливает сигнал с частотой УВ и не . пропускает посто нную составл ющую. Второй синхронный детектор 10, управл ющий напр жением с частотой модул ции , преобразует сигнал с частотойЛ в посто нное напр жение. Таким Образом, на выходе первого усилител  8 возникает посто йное напр жение , пропорциональное посто нной составл ющей магнитной индукции внутри оболочки (Bj), а на выходе второго синхронного.детектора 10 посто нное напр жение, пропорциональное переменной составл ющей индукции с частотой модул ции (Bj). С помощью счетно-решающего устройства (микро- , процессора) 11, реализующего вычислени  по формуле (1), определ етс  истинное значение магнитной индукции .в среде. В качестве магниточувствитёльного преобразовател  2 может, использоватьс  как обычный преобразователь Холла , так и кольцевой гальваномагнитный преобразователь, обладающий на пор док меньшим порогом чувствительности к индукции посто нных магнитных полей. Периодическое изменение форм оболочки осуществл ют путем создани  внутри нее пульсирующего давлени  с помощью пневматических, гидравлических , электромеханических или других аналогичных средств. Оболочку выполн ют частично или полностью эластичной , либо с перемещающимис  герметич ными элементами. Воздействие на Ыюлочку осуществл ют так, чтобы получить модул цию коэффициента формы оболочки в направлении оси максималь ной чувствительности преобразовател  Предпочтительной формой оболочки  вл етс  форма эллипсоида вращени , ориентированного вместе с размещен-ным внутри нее преобразователем так, чтобы ось оболочки и ось максимально чувствительности преобразовател  были направлены вдоль вектора индукцик магнитного пол  в среде. Модул ци  .коэффициента формы такой оболочки до стигаетс  периодическим раст гиванием и сжатием эллипсоида вдоль его оси, либо периодическим изменением диаметра эллипсоида. - . . , в качестве магниточувствительных преобразователей целесообразно использовать магнитопрозрачные преобра зователи (.гальваномагнитные, ЯМР-пре образоватеЛй); не нарушающие ойнород ности магнитного пол  внутри оболочки и дающие простую,зависимость маг нитной индукции, измер емой преобраз вателем, от магнитной индукции в сре де. Модул цию коэффициента формы оболочки измен ют по гармоническому закону -. N Nofl Л1 cosKt), m « 1 (2) где Я - частота модул ции; m - глубина модул ции коэффициен та. Индукци  В магнитного пол  внутр полой немагнитной эллипсоидальной . оболочки, размещенной в среде так что ее ось совпадает с вектором индукции пол , равна. 1 + (i-Na)a: где БС - индукци  магнитного пол  в среде (существующа  до внесени  оболочки); NO -- коэффициент формы оболочки; X - магнитна  восприимчивость среды. Магнитна  индукци , воздействующа  на преобразователь при посто нном внешнем магнитном поле, в случае Mai- нитопрозрачного преобразовател , равна 1Ч1Ко)зе nni-No)3el Be «-«t . В,В2 COSjlt.. (4) Таким образом, магнитна  индукци  внутри оболочки имеет посто нную составл ющую Bj , не св занную с модул цией и определ емую средним значением коэффициента формы (N), и переменную составл ющую с амплитудой и частотой модул ции, котора  возникает только при модул ции коэффициента формы, не равной нулю магнитной восприиг чивости среды. При переменном внешнем магнитном поле В Be cos Л t, действующем в среде с низкой электропроводностью, магнитна  индукци  внутри модулируемой оболочки равна R 1 Врм cos uJ t + i+t;i-Njx eM TRbNJ + cos (cJ-Л )tl B, cos u) t + ( ) + 82 cos (и; + Л)г + cos()t т. e. также имеет Две составл ющие. Перва  составл юща  с амплитудой В имеет частоту внешнего магнитного по  и йе св зана с модул цией, втора  состоит из двух слагаемых с комбинаионным частотами it + Д , суммарна  мплитуда которых В. Втора  состав юща  возникает только при наличии одул ции и при X 0. Преобразователь, установленный внутри модулируемой оболочки, выдел ют (с использованием частотных методов разделени ) и измер ют первую и вторую составл ющие индукции, и по величинам этих составл ющих (точнее no их посто нным или амплитудным значени м В и Bg) суд т об индукции Be магнитного пол  в исследуемой жидкой среде. Дл  случа  немагнитной оболочки и магниточувствительного преобразовател  индукцию Ве наход т по формуле (), котора  получаетс  из (|);или (5). Из анализа погрешности предлагаемого способа измерени  магнитной индукции в жидких магнитных средах сле дует оценка 6 В ,S%. Способ может найти применение при исследовании и контроле процессов электрофоретическогр осаждени  плено магнитных материалов из магнитных суспензий и в других цел х. Формула изобретени  Способ измерени  магнитной индукции в жидких магнитных средах, основанный на введении в среду магниточувствительного преобразовател , заключенного в немагнитную осесимметричную оболочку, ориентировании оси максимальной чувствительности преобразовател  и оси оболочки вдоль вектора ма1нитной индукции и измерении магнитной индукции внутри оболочки, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений магнитной индукции в жидких с§5едах, периодически измен ют форму оболочки магнитного чувствительного преобразо вател , внутри оболочки выдел ют при посто нном внешнем магнитном поле по сто нную составл ющую индукции и составл ющую с частотой изменени  формы , а при переменном внешнем магнитном поле - составл ющую с частотой внешнего пол  и составл ющую с комби 88 нациоиными частотами, образованными частотой внешнего пол  и частотой изменени  формы, и по величинам обеих составл ющих индукции суд т об измер емой магнитной индукции, при этом магнитную индукцию в среде определ ют по формуле l-(l-N) B-jNom где Be - индукци  посто нного или амплитуда индукции переменно-: го магнитного пол  в среде; посто нное значение ;или амплитуда первой составл ющей магнитной индукции внутри оболочки; . амплитудноезначение или суммарна  амплитуда слагае- мых второй составл ющей магнитной индукции внутри обо- . лочки; среднее значение коэффициента формы оболочки; - глубина МОДУЛЯЦИ.Й коэффициента формы. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Усатенко С. Т, Измерение индукции в периметре с помощью датчиков Холла. - Заводска  лаборатори , 30, 196it, 5, 619.
2. 2.Ливотов Л. Л./Николаев Л; Ai и Семовский 0. Б. Морской магнитометр МБМ. - Геофизическа  аппаратура Л., Недра, 1979, вып. 69, с. (прототип). .