Способ измерения величины и направления магнитного поля и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советския. Социалистическия Республик(22) Заявлено 27,06.78 (21) 2633918/18-21с присоединением заявки ЙР(23) ПриоритетОпубликовано 071280, Бюллетень М 9 45Дата опубликования описания 091280 6 01 й 33/02 1 осударствениый комитет СССР по делам изобретений и открытий(71) Заявитель Московский вечерний металлургический институт(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к технике магнитных измерений и предназначено для измерения величины и направления магнитных полей, а также радиостан ционной передачи этих измерений, например, в системах управления, автоматического регулирования и контроля производственными процессами.Известны способы и устройства для 10 измерения величины и направления магнитных полей, в основе которых лежат различные физические принципы, например эффект Холла, магнетронный эффект, эффект ядерного магнитного резонанса (ЯМР), устройства с изменением магнитного сопротивления 1) .Однако малая величина выходного отклика ограничивает разрешающую способность и чувствительность реали зующих эти способы устройств и делает необходимым использование таких устройств совместно с усиливающими и, если требуется большая точность измерения, преобразующими в дискретно цифровую форму, дополнительными специальными устройствами. Это существенно удорожает общее устройство, снижает его надежность. Кроме тогодистанционность измерения достигается с помощью кабельных проводных линий, что неудобно.Известен способ измерения магнитного поля, основанный на взаимодействии поля с заряженными частицами ионизованной газовой среды (плазмы) 12). Этот способ является наиболее близким по техническому решению к изобретению.Магнитоэлектрический датчик выполнен в виде диска с присоединенными к его центру и периферии проводниками, снабжен кольцом, соосно расположенным с диском и герметически соединенным с ним двумя диэлектрическими шайбами, причем пространство между кольцом и диском заполнено газообразным реагентом. Под влиянием напряжения возникает разряд и газ переходит в плазму. В магнитом поле траектории частиц отклоняются от прямолинейных. В результате увеличивается внутреннее сопротивление датчика, которое и принимается за меру величины измеряемого магнитного поля.Как следует из приведенного описания, магнитоэлектрический датчик является датчиком магнитосопротивления на основе газоразрядной плазмы.Однако проводимость плазмы не сильнозависит от величины магнитного поля,и в слабых полях изменяется малозаметно. Поэтому и этот датчик имеетдостаточно слабый выходной сигнал,а следовательно, и малые разрешающуюспособность и чувствительность. Онфало эффективен, (особенно для работыв слабых магнитных полях).Целью изобретения является уве-.личение разрешающей способности ичувствительности измерения.Достигается это тем, что создаюткольцевой контрагированный разряд иограничивают.его перемещение по всемстепеням свободы, кроме радиальной,а за меру величины измеряемого магнитного поля принимают изменениечастоты колебаний электрического тока в разряде,В устройстве для осуществленияспособа, содержащем кольцевую газоразрядную камеру с двумя электродамии электрический блок, кольцевая газоразрядная камера выполнена из диэлектрика, герметично разделена поперечной диэлектрической стенкой, аэлектроды расположены по обе стороныразделительной стенки и выполненыштыревыми,На чертеже представлено устройство для осуществления способа измере. -ния величины и направления магнитного поля,Устройство представляет собой выполненную из диэлектрика кольцевуюгаэораэрядную камеру 1, герметичноразделенную поперечной диэлектрической стенкой 2, по обе стороны которой расположены два штыревых электрода 3 и 4. Между электродами 3 и 4создают кольцевой контрагированныйразряд 5. Электрический блок содержит балластное б и нагрузочное 7 сопротивления, шунтирующую емкость 8,которая может иметь и паразитный характер в схеме, волномер 9, выходыдля съема электрического сигнала: 1и 1- для местных и; 113 - для радиодистанционных измерений,В слаботочном слабоконтрагированном разряде среднего давления поряд-,ка 10 "-10 ат могут самовозбуждаться регулярные колебания на частоте10 фз Гц. Вольтамперная характеристика такого разряда имеет гистерезисные особенности. Обнаружено, что вобласти вольтамперной гистерезиснойпетли колебания в разряде особенноинтенсивны и стабильны, их частотазависит от длины разряда и,благодаряэлектромагнитному излучению в радиодиапазоне, колебания могут восприниматься радиодистанционно. В петлеколебания имеют релаксационный характер и связаны с переменным характером контракции разряда. Разрядв целом оказывается чувствительнымк силам гравитации н инерций. Специально выполненные экспериментальные исследования показали, чточастота электрических колебаний вописываемом разряде существенно зависит от величины магнитного поля,накладываемого перпендикулярно наразряд, так как под действием магнит 1ного поля разряд деформируется и,следовательно, удлиняется. Эти исследования дали основание испольэоватьконтрагированный разряд для целей магнитометрии.Однако разряд в свободном состоянии (например, линейный разряд в цилиндрической трубке) оказывается не 1пригодным для измерения магнитногополя, так как он, как было указано,чувствителен к силам гравитации иинерции, а поэтому также изменяетсвою длину под действием этих сил.Из-за этого становится невозможным26 различить причины, вызвавшие изменение длины разрядов а, следовательно,и изменение частоты электрических колебаний в разряде.Крометого, эффект модуляции часд тоты колебаний в разряде магнитнымполем четный, что в случае разрядав свободном состоянии делает невозможным определение знака (направления) магнитного поля и его пространственных компонент.Для того, чтобы сделать разрядпригодным для целей магнитометрии, вданном способе измерения магнитногополя предусматривается создание кольцевого контрагированного разряда сограничением его перемещения по всемстепеням свободы, кроме радиальной,для которой разряд оказывается практически нечувствительным к силамгравитации и инерции,40 Устройство для реализации способаизмерения магнитного поля работаетследующим образом.В отсутствие магнитного поля (В=О),кольцевой контрагированный разряд 54 плотно охватывает (как бы оттягивает") внутренний диаметр диэлектрической газоразрадной камеры 1, Приэтом в разряде происходят электрические колебания с некоторой стационарной частотой М , зависящей от величины разрядного тока г устанавливаемойпеременным сопротивлением б. В магнитном поле, если это поле образуетправовинтовую нормаль с плоскостьюкольцевого разряда при обходе разряэз да в направлении отрицательной полярности, происходит взаимодействиецоля с токонесущими компонентами плазмы (на электроны и ионы разряда действуют радиальные распирающие кольр цевой разряд силы Лоренца),что ведетк увеличению кольцевого диаметра разряда 5 с удлинением его средней линии. При этом частота колебаний в разряде изменяется (уменьшается) отно-сительно стационарной М 0 на некото 85811Формула изобретения рую величину д 1, которая и принимается за меру действующего (измеряеого) магнитного поля. Для поля обатйой полярности устройство нечувствительно, так как в этом случае силыЛоренца имеют центронаправленный характер, стягивают разряд, и разряд,плотно охватывающий внутренний диаметр газоразрядной камеры 1, не изменяет своего кольцевого диаметра, аследовательно, и не изменяется частота стационарных колебаний 4 в раз-0ряде. Для измеренияоля обратной полярности нужно переориентировать устройство, т.е. перевернуть устройствотак, чтобы измеряемое магнитное поле и его составляющие снова образовывали правовинтовую нормаль с плоскостью кольцевого разряда.Таким образом устройство обладаетселективной чувствительностью к направлению магнитного поля, а знак 2 Ои распределение его пространственныхкомпонентов определяются по пространственной ориентации устройства приизмерениях.Помехозащищенность разряда в устройстве от сил гравитации и инерции,к которым, как было указано, разрядоказывается чувствительным, обеспечивается кольцевой конструкцией газоразрядной камеры, кольцевой каналкоторой обжимает разряд в поперечнике так, что он не имеет других степеней свободы, кроме радиальной под действием сил Лоренца.Выходной сигнал в виде частотномодулированных электрических колебаний снимается при местных измерениях в виде достаточно высоковольтныхколебаний пилоообразной формы с выхода Дили в форме остроконечных импульсов с нагрузочного сопротивления 7 - выход 1, а также при радио- дистанционных измерениях с катушки волномера 9 - выход 1 П.При радиостанционных измеренияхволномер 9 работает в режиме ударного возбуждения и, если он настроен 45на частоту заведомо большую 10, излучаемую устройством, то отзывается на каждый электромагнитный импульс устройства цугом собственных быстро- затухающих колебаний. При дистанции 50 в несколько метров для уверенной работы устройства на волномер не требуется никакого промежуточного усиления. Способ дает возможность получить высокий выходной уровень, дискретную форму, высокий КПД и радиодистанционность измерений; исключает необходимость в дополнительных преобразующих и усиливающих устройствах и, следовательно, сокращает общие расходы на разработку устройств для магнитных измерений с мощным выходом, что дает экономию в народном хозяйстве.Из всего изложенного следует, что в целом устройство для осуществления предложенного способа представляет собой плазменный электромагнитный датчик, осуществляющий преобразование измеряемой величины в частотно-модулированные электромагнитные колебания, Поэтому для унификации специфических особенностей такого устройства представляется целесообразным присвоить ему наименование ПЛАЭМД (плазменный электромагнитный датчик). 1, Способ измерения величины и направления магнитного поля с помощью газового разряда, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности измерения, создают кольцевой контрагированный разряд и ограничивают его перемещение по всем степеням свободы, кроме радиальной, а эа меру величины измеряемого магнитного поля принимают, измерение частоты колебаний электрического тока в разряде.2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее кольцевую гаэоразрядную камеру с двумя электродамн и электрический блок, о т л ич а ю щ е е с я тем, что кольцевая гаэоразрядная камера выполнена иэ диэлектрика, герметично разделена поперечной диэлектрической стенкой, а электроды расположены по обе стороны разделительной стенки и выполнены штыревыми. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Чечерников В. И. Магнитные иэ" мерения.Изд-во.МГУ,1963, с. 31-46. 2. Авторское свидетельство СССР В 464875, кл. 6 01 й 33/02, 1975.Е. Составнчар 7 ехрв и Редак к атент , г Ужгород, ул. роектная илиал э 8836/50 Тираж ВНИИПИ Государственного комитетапо делам изобретенийи открыти13035 Москва ЖРа ская наб. ом