Устройство для измерения градиента магнитной индукции

(54) УСТРОЙСТВО ДИЕНТА МАГНИТ (57) Применение: для измерения гра ции источников по ния векторов созданной дипол магнитными моме являющегося изде,аа 1ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 21) 4903602/2122) 18.01.9146) 07.03,93, Бюл. М 971) Научно-производственноеВсесоюзный научно-исследоваститут метрологии им, Д,И,Мен72) Б.М.Смирнов56) Авторское свидетельство СМ 197202, кл. 6 01 й 33/00, 19 ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАНОЙ ИНДУКЦИИ измерительная техника, иента магнитной индукя, а также для определеагнитной индукции, ным и квадрупольным нтами этого источника, ием из ферромагнитных масс, с осуществлением контроля качества изготовления этого изделия, Суть изобретения; устройство содержит три трехкомпонентных магниточувствительных преобразователя, каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональных однокомпонентных преобразователей 1 - 3, 4 - 6, 7-9. девять усилительно-преобразовательных блоков 10 - 18, три блока 19 - 21 вычитания, генератор 22 переменной ЭДС, один выход которого подключен к входам магниточувствительных преобразователей, а другой - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, и девять компенсационных обмоток 23 - 31, расположенных на трехкомпонентных преобразователях так, что ось каждой компенсационной обмотки соосна с осью соответствующего однокомпонентного преобразователя. 1 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения градиента магнитной индукции источников поля, составляющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами этого источника поля, являющегося изделием из ферромагнитных масс, с осуществлением контроля качества изготовления данного изделия.Цель изобретения - повышение точности измерения градиента вектора магнитной индукции, созданной источником поля, и обеспечение возможности определения векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля.На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения градиента магнитной индукции.Устройство состоит из трех трехкомпонентных магниточувствительных преобразователей, каждый из которых состоит из трех взаимно ортогональных однокомпонентных преобразователей 1 - 3, 4 - 6, 7 - 9, девяти усилительно-преобразовательных блоков 10 - 18, трех блоков 19 - 21 вычитания, генератора 22 переменной ЭДС и девяти 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 преобразователя 3. Выходы блока 17 подключены к соответствующим компенсационным обмоткам 23, 26, 29, оси которых параллельны оси преобразователя 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 ОУ декартовой системы координат ОХУ 2 с началом координат в точке О. Преобразователи 2, 5, 8 параллельны оси ОХ и преобразователи 3, 6, 9 параллельны оси ОЕ упомянутой системы координат.В предлагаемом устройстве магниточувствительные преобразователи 1 - 9, усилительно-преобразовательные блокипропорциональные составляющим градиен та вектора магнитной индукции. Сигналы сблоков 16 - 18 пропорциональны значениям составляющих вектора магнитной индукции в месте расположения преобразователей 4- 6, Так, сигнал с блока 16 пропорционален 50 значению составляющей вектора магнитнойиндукции Вуб, сигнал с блока 17 пропорционален значению составляющей вектора магнитной индукции ВУ 4, сигнал с блока 18 пропорционален значению составляющей 55 вектора магнитной индукции Вх. Эти выходные сигналы подаются 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 10152025303540 10 - 18 и генератор 22 переменной ЭДС выполнены аналогично, как и в известном устройстве для измерения параметров магнитного поля (Афанасьев Ю,В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат1986, с,117), При этом каждый усилительно- преобразовательный блок 10-18, подключенный к соответствующему преобразователю, состоит из избирательного усилителя и синхронного детектора (Афанасьев Ю,В, Феррозондовые приборы,Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.117; Афанасьев Ю,ВСтуденцов Н.В,Щелкин А.П.Магнитометрические преобразователи, приборы, установки, Л.; Энергия, 1972, с,155). Блоки 19 - 21 вычитания представляют собой вычитающие усилители, которые могут быть выполнены на операционных усилителях типа 140 УД 17 А по известной схеме.Предлагаемое устройство работает следующим образом.На входы преобразователей 1 - 9 подается с генератора 22 переменная ЭДС, возбуждающая эти преобразователи, Врезультате этого на выходе каждого из преобразователей 1 - 9 появляется ЭДС второйгармоники, пропорциональная соответствующей составляющей вектора магнитной индукции, Выходные сигналы спреобразователей 1 - 9 усиливаются и детектируются блоками 10 - 18, Выходные сигнал ы с блоков 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15 подаютсяна соответствующие блоки 19 - 21 вычитания, Сигналы с блоков 19-21 пропорциональны разностям проекций векторов магнитной индукции между основными преобразователя 1 и 7, 2 и 8, 3 и 9. С учетомрасстояния между упомянутыми преобразователями выходные сигналы с блоков 19 21 градуируются в сигналы, пропорциональные пространственным производным вектора магнитной индукции, т.е.воспроизводят подающиеся на них электрические сигналы в составляющие вектора магнитной индукции, равные по величине, но противоположные по направлению со(,тавляющим вектора магнитной индукции В 2 (Вх 5, ВУ 4, Вгб), измеренным преобразователями 4, 5, 6, осуществляя тем самым компенсацию однородного магнитного поля в объемах основных и дополнительных магниточувствительных преобразователей, что повышает точность измерения составляющих градиента магнитной индукции, измеренных основными преобразователями, более чем на порядок по сравнению с известными устройствами, в частности, принятыми за аналог и прототип, Так, например, в предлагаемом устройстве с помощью преобразователей 4, 5, 6 осуществляются измерение составляющих однородного магнитногополя Земли 5 10 нТл и компен 4сация этого поля в объемах основных магниточувствительных преобразователей, Предположим, что поле недокомпенсации составляет 50 нТл (поле недокомпенсацииможно уменьшить до единиц и даже до десятых долей нанотесел). При неидентичности чувствительностей основных магниточувствительных преобразователей 2 10 и при-5 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 для предлагаемого устройства и 1 нТл для устройств, принятых за аналог и прототип, от непараллельности осей преобразователей 2 10 нТл для предлагаемого устройства и 2 нТл для устройств, принятых за аналог и прототип. Таким образом, в предлагаемом устройстве точность измерения градиента магнитной индукции на три порядка выше, чем в известных.устройствах,Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению сустройствами, принятыми за аналог и прототип, обеспечивает возможность определения составляющих векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, по измеренным разностям проекций векторов магнитной индукции, например, между преобразователями 1 и 7,4 и 7, 2 и 8,5 и 9, 6 и 9. Возможность определения упомянутых векторов магнитной индукции позволяет наиболее эффективно и с меньшей остаточной намагниченностью, а значит, и с более высокой точностью осуществлять размагничивание ферромагнитных тел, в частности спутниковЗемли, являющихся носителями магнитометрической аппаратуры (Афанасьев Ю,В,. Биличенко С,В., Бобков Ю.Н, и др, Измерение вариаций геомагнитного поля в диапазоне частот 0,1 - 8 Гц на спутнике "Интеркосмос-Болгария в 13", МаосЬ. аррагат., 1987, 2, 2, р,15 - 27), а также обеспечивать более высокую точность определения значения дипольного магнитного момента источника поля, исключив влияние магнитной индукции, созданной квадрупольным магнитным моментом.Для определения составляющих векторов магнитной индукции, созданных дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, которымможет быть любое намагниченное тело, располагают это тело так. чтобы его геометрический центр находился приблизительно на оси ОУ, а отрезок прямой, соединяющий максимально удаленные друг от друга две точки поверхности тела, ориентировочно был бы перпендикулярен оси ОУ, Принимая за точку приведения магнитного момента геометрический центр тела, измеряют предлагаемым устройством значения разностей проекций векторов магнитной индукции. По измеренным разностям проекций векторов магнитной индукции и расстояниям между геометрическим центром тела и преобразователями определяют значения магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, например, для местоположения преобразователей 1 - 3 из следующих выражений: 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 81 ----Мхгп .2, Муп ,Мщ-1,йо 1В 1 =- - а 2 х: агу, -аг )4 т 1где В 1 и В 1 - векторы магнитной индукции. созданные дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля:г 1 = у 1 - расстояние от близлекащего (первого) трехкомпонентного магниточувствительного преобразователя до геометрического центра источника поля;г 2 = у 2. гз = уз - расстояния от дополнительного и второго основного трехкомпонентных магниточувствительных преобразователей до геометрического центра источника поля:Мхгп = Вх 28 (г 2 гЗ )п =1- Вх 58(Г 1 - Г 2 )1 Д,1800411 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 (О; 0; О) находятся 5 два дипольных источника поля с магнитными моментами М 1( 5 Ам; 0; 0) и М 2 (5 Ам;0; 0). Три трехкомпонентных магниточувствительных преобразователя относительно начала координат имеют следующие место положения: - (О; 1,5 м; 0). И - (О; 2 м; О), Ив(О; 1,7 м; 0). Решая прямую задачу, определим Вх 28=-74,32 нТл, Вх 58=36,29 НТл, ВУ 17= =64,5 нТл, ВУ 47 =-31,78 нТл, Вгз 9= 1 Вг 69=0,М 1 пп -- Ву 17 (Г 2 - гз ) -щ =1 - Ву 47 (г 1 - г 2 )Мггп = Вг 39 (Г 2 ГЗ )- Вл 69 (Г 1 Г 2 ) Д Ь =(Г 1 - г 2 ) (Г 2 - ГЗ ) в (Г 2 - ГЗ ) (Г 1 Г 2 ) Т - знак транспонирования матрицы; Вх 28 = Вх 2 - Вх 8; Вх 58 = Вх 5 - Вх 8; ВУ 17 = =ВУ 1 ВУ 7: 5 Определим теперь по измеренным параметрам магнитного поля и местоположениям трехкомпонентных магниточувствительных преобразователей значения проекций векторов магнитной индукции созданной диполь ным и квадрупольнь 1 м источникамимагнитного поля, например, в точке 1 О; 1,5 м; 0): ВУ 47=ВУ 4 ВУ 7;ВЕ 39=В 23 - В 79; В 269=В 26 - В 79- разности проекций векторов магнитной индукции между преобразователями 2 и 8,5 и 8,1 и 7,4 и 7,3 и 9, би 9;82 х = - Вх 58 Г 1 - Г 2 ) - Вх 28(Г 2 - ГЗ )4 7 г -3 -3 -3 -3 1 Вх =-239,1 нТл, Ву = 221,6 нТл, В 2 =-О.Н 11 нВх = 93,4 нТл, Ву = -92,9 нТл; В 2 = О,25 а 2 У = ВУ 47(Г 1 - Г 2 ) - ВУ 17(Г 2 - ГЗ ) д 4 л -3 -3 -3 -3 1 Дипольный магнитный момент порезультатам измерений имеет значеа 22.=- Вг 69(Г 1 - Г 2 ) - В 239(Г 2 -Гз )30 ние М = 8,90 Ам . Истинное значение ди,Иопольного магнитного момента струны равно2,ио= л н м.- 4 д . 10 7 Гн(м 10 Ам, следовательно, относительная метосозданная маг дическая погрешность магнитного моментаМагнитная индукция, созданная маг-нитным моментом и-го порядка, где п =и- о порядка, где п = 1, Дм= 11При среднем квадратическом ответ от расстояния в г"+2 раза. Так, 35" клонении результатов наблюдений разнонапример, магнитное поле,агнитное поле, созданное маг- "стей проекций векторов магнитнойе том третьего порядка и маг- индукции 0,1 нТл относительная инструмене поле созданное магнитным тальная погрешностьопределения магнитт д = 2, Вмоментом четвертого порядка, по сравне- . ного момента составит мнию с магнитным моментом первого поряд известном устройстве, принятом за протока дипольным магнитным моментом) тип, не исключается влияние квадрупольноослаблено на расстоянии г от мультиполя го магнитного момента. Поэтому всоответственно в г 2 и Гз раз, Поэтому для известном устройстве значение дипольногоопределения магнитной индукции, создан- магнитного момента, полученное по изменой дипольным и квадрупольным магнитны ренным разностям проекций векторов магми моментами, на практике часто бывает нитной индукции для точек наблюдения И и2достаточно измерить параметры магнитно- , М = 5,04 Ам, а относительная методичего поля в трех точках пространства при на- ская погрешность этого момента дм =49,6 О,именьшем расстоянии от точки, выбранной На расстоянии 20 м (расстояние от второгона поверхности тела,до первой точки наблю трехкомпонентного магнитометрического)дения, примерно равном или превышаю- преобразователяв 10 разпревышаетмаксищем 3/4 максимальноголинейного размера мальный линейный размер тела) от геометисследуемого источника магнитного поля. рического центра тела методическаяОпределим значение магнитной индук- погрешность определения магнитного моции, созданной дипольным и квадруполь ментасоставитдм =0,8. Однакодаке приным магнитными моментами, и оценим среднем квадратическом отклонении репогрешность определения дипольного маг- зультатов наблюдений разностей проекцийнитного момента тела, выполненного, на- векторов магнитной индукции, равном 0,01пример, в виде струны длиной 2 м, нТл, относительная инструментальная по10 1800411 Составитель Б,СмирновТехред М.Моргентал Корректор П.Гереши Редактор Т.Иванова Заказ 1163 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород.,ул,Гагарина, 101 грешность определения магнитного момента составит более 100.Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерения 5градиента магнитной индукции более чемна порядок, а также обеспечивает возможность определения магнитной индукции, созданной как дипольным, так иквадрупольным магнитными моментами. 10Использование в заявляемом устройствевычислительного блока позволит автоматизировать процесс вычисления составляющих векторов магнитной индукции,созданной дипольным и квадрупольным 15магнитными моментами источника поля, исоставляющих вектора дипольного магнитного момента этого источника, Для этоговыходы блоков 11, 13, 15 и 19 - 21 следуетподключить к входам ЭВМ, например, 20"Электроника". В предлагаемом устройстве трехкомпонентные магниточувствительные преобразователи могут бытьвыполнены с совмещенными магнитнымицентрами, в каждом из которых магниточувствительные элементы представляют собойдва замкнутых ферромагнитных сердечника(Афанасьев Ю,В. Феррозондовые приборы,Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.55),Формула изобретения 30Устройство для измерения градиентамагнитной индукции источника поля, содержащее два трехкомпонентных магниточувствительных преобразователя, каждый изкоторых состоит из трех взаимно ортогональных однокомпонентных преобразователей,шести усилительно-преобразовательных блоков, первый вход каждого из которых подключен к соответствующему выходуоднокомпонентного преобразователя, трех 40блоков вычитания, каждый из которых подключен к выходам двух усилительно-преобразовательных блоков, подключенных квыходам однокомпонентных преобразователей с коллинеарными осями, два из которых соосны, выходы блоков вычитания являются выходом устройства, и генератор переменной ЭДС, один выход которого подключен к входам магниточувствительных преобразователей, а второй - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, заключающемся в обеспечении возможности определения векторов магнитной индукции, созданной дипольным и квадрупольным магнитными моментами источника поля, он снабжен дополнительным трехкомпонентным магниточувствительным преобразователем, состоящим из трех взаимно ортогональных однокомпонентных преобразователей, оси которых коллинеарны осям основных преобразователей, тремя дополнительными усилительно-преобразовательными блоками и девятью компенсационными обмотками, расположенными на трехкомпонентных преобразователях так, что ось каждой компенсационной обмотки соосна с осью соответствующего однокомпонентного преобразователя, при этом один из дополнительных однокомпонентных преобразователей соосен с двумя основными однокомпонентными преобразователями, 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 дополнител ь ного усилител ьно-и реобразовательного блока подключены к соответствующим трем компенсационным обмоткам, оси которых коллинеарны, входы дополнительных однокомпонентных преобразователей подключены к первому выходу генератора переменной ЭДС.