Устройство для измерения магнитной восприимчивости

 

Изобретение касается области измерений магнитной восприимчивости сред.например горных пород и руд в естественном залегании и на образцах. Устройство содержит генераторную 1,и приемную 2 катушки, у которых центры смещены друг относительно друга, а оси пересекаются, под прямым углом в центре генераторной катушки 1. С целью повышения точности измерений устройство Содержит дополни-^ тельную приемную катушку 3, смещенную в противоположную сторону от центра генераторной катушки 1, а также соосную с последней градуировочную катуш'ку 8. Примерно на порядок по сравнению с прототипом повышена чувствительность измерений. 8 ил.слс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) ((1) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

Ф

Ql (21) 4752935/21 (22) 12.06.89 (46) 23 02.92. Бюл. N. 7 (71) Ленинградский государственный университет (72) Ю.И. Кудрявцев, С.Л. Жоголев и К:).В..Микляев (53) 621.317.44 (088.8) (56) Патент США М 3488577, кл, G 01 R 33/16, 1970. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ (57) Изобретение касается области измерений магнитной восприимчивости сред, (si)s G 01 R 33/16, G 01 N 27/76 например горных пород и руд в естественном залегании и на образцах. Устройство содержит генераторную 1 и приемную 2 катушки, у которых центры смещены друг относительно друга, а оси пересекаются под прямым углом в центре генераторной катушки 1. С целью повышения точности измерений устройство содержитдополни-, тельную приемную катушку 3, смещенную в противоположную сторону от центра генераторной катушки 1, а также соосную с последней градуировочную катуш ку 8.

Примерно на порядок по сравнению с прототипом повышена чувствительность измерений. 8 ил.

1714546

25

40

50

Изобретение относится к устройствам для измерения магнитной восприимчивости сред, например, горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, рыхлых отложений, почв, образцов, продуктов переработки железных руд на горно-обогатительных комбинатах и т.д.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг.1 и 2 представлено предлагаемое устройство с внутренним расположением приемных катушек, варианты выполнения; на фиг.3 — электрическая Схема устройства; на фиг.4 — зависимость геометрического фактора от относительного расстояния генераторной катушки до среды; на фиг.5 — график зависимости коэффициента влияния размеров образца от длины ребра кубика, изготовленного для исследуемого материала; на фиг.6 и 7-сечения соответствующими плоскостями устройства с наружным расположением приемных катушек; на фиг,8 — расчетная кривая геометрического фактора.

На фиг.1 изображено сечение генераторной катушки 1 и находящихся внутри нее приемных катушек 2 и 3 плоскостью, проходящей через их центры. Все катушки прямоугольной формы и намотаны на общий каркас 4 из изоляционного материала. В плоскости сечения расположена общая ось

5 приемных катушек, которая проходит через центр генераторной катушки 1. Относительно этого центра приемные катушки 2 и

3 смещены в разные стороны. Длина стороны среднего витка генераторной катушки 1 в направлении оси 5 обозначена l >, а в перпендикулярном направлении !а .Длина приемной катушки 2 длина стороны ее средНЕГО ВИтКа В НаПРаВЛЕНИИ !л1, !лг ПЕРПЕНДИкулярном оси 5, расстояние между центрами катушек 1 и 2 !гл. Другая приемная катушка 3 может иметь иные геометриче-. ские размеры. Однако более удобной для выполнения оказывается конструкция с одинаковыми параметрами !п1, !пг и !гп приемных катушек, при этом одинаковая площадь витков катушек 2 и 3 обеспечивается при намотке одинакового количества провода.

На фиг.2 показано сечение катушек 1 — 3 плоскостью, проходящей через оси этих катушек. Общая ось 5 приемных катушек 2 и 3 перпендикулярна оси 6 генераторной катушки 1. Длина стороны среднего витка п ри- 55 емной катушки 2 в направлении оси 6 обозначена з, В крышке кожуха 7 с ручкой выполнен паз для размещения градуировочной катушки 8, которая соосна с генераторной катушкой 1 и выполнена со средним витком, совпадающим по форме и размерам со средним витком генераторной катушки 1.

Защитный кожух 7 из изоляционного матеоиала с контактными выступами 9 обеспечивает определенное рабочее растояние ho центров катушек 1 — 3 до плоской поверхности исследуемой среды 10. Расстояние между центрами генераторной и градуировочной катушек равно 2hp.

Генераторная катушка 1 (фиг.3) одним выводом соединена с клеммой генератора

11 переменного тока, а другой ее вывод объединен с выводом градуировочной катушки

8 и подключен к одному из контактов переключателя 12. Другой контакт переключателя 12 объединен со свободным выводом градуировочной катушки 8. Общий вывод переключателя 12 подключен к другой клемме генератора 11. Приемные катушки 2 и 3 включены последовательно встречно и свободными выводами соединены с измерительным блоком 13.

Устройство работает следующим образом, Генераторная катушка 1 создает в окружающем пространстве низкочастотное переменное магнитное поле. В воздухе при отсутствии магнитной среды магнитный поток через каждый виток приемных катушек 2 и 3 практически равен нулю, и на выводах приемных катушек 2 и 3 и входе измерительного блока 13 наблюдается лишь незначительная ЭДС небаланса.

Над магнитной средой устройство располагается таким образом, что совмещенные оси генераторной и-градуировочных катушек 1, 8 перпендикулярны ее поверхности, а центр генераторной катушки 1 находится на рабочем расстоянии ho от этой поверхности. Полем генераторной катушки 1 происходит намагничивание среды 10 и появляется вторичное магнитное поле. Магнитные потоки вторичного поля через катушки 2 и 3, смещенные в разные стороны от центра генераторной катушки 1, противоположны по знаку, и благодаря встречному включению этих катушек индуцируемые вторичные ЭДС суммируются. Суммарная вторичная ЭДС, действующая на входе измерительного блока 12, на его выходе фиксируется в аналоговой или цифровой форме.

Внешнее почти однородное магнитное поле помехи создает в катушках 2 и 3 магнитные потоки одного направления, и поэтому индуцируемые ими ЭДС при равенстве площадей витков этих катушек практически взаимно компенсируют друг друга, что обеспечивает помехозащищенность устройства.

При градуировке устройства в воздухе переключатель 12 переводится из рабочего

1714546 положения (фиг.3) в положение градуировки, При этом последовательно и согласно с генераторной катушкой 1 включается градуировочная. катушка 8, магнитное поле которой индуцирует градуировочную ЭДС. 5

Благодаря предложенной конструкции градуировочной катушки 8 и ее расположению величина градуировочной ЭДС соответствует влиянию магнитной среды с опрЕделенным градуировочным значением магнитной 10 восприимчивости. По выходным сигналам измерительного блока 13, появляющимся под воздействием магнитной среды и градуировочной катушки 8, и градуировочному значению магнитной восприимчивости оп- 15 ределяется магнитная восприимчивость среды.

Для устройства с квадратной генера-, тоРной катУшкой (Ir1 = Ir2 = Ir) и оДинаковыми приемными катушками суммарная вторич- 20 ная ЭДС Л е связана с геометрическими параметрами устройства и магнитной восприимчивостью среды к соотношением.

QE =ро СО г WnIr (пЗЛпг ) 6 К" (1) где! — сила тока в генераторной катушке; в, — круговая частота тока;

Wr, Wn — количество витков в генераторной и любой приемной катушках;

= 1 + 0 5 кажущаяся воспримем 30

1 +,5к чивость.

Геометрический фактор G учитывает влияние расстояния от центра генераторной катушки 1 до плоской поверхности среды 10 и выражается формулой

Ь

)2

G = — (f F (z) c3 t — j F (z) cI %) (2)

t1 )2 где F(z) =(z2+0,25(1 — — пг)2+4

Ir Ir — т +0,25(1 + — и ) +4(— ) )

Сг+4()2

45 т) = 0,5 - Irnl!г - 0,5 In1/Ir, Y) *= 0,5 -! гп/Ir + 0,5 In1/Ir, Z2 = 0,5 + Irn/1г - 0,5 In1/ г, Z2 *= 0,5 + 1гп!1г + 0,5 In)/Iã.

Из зависимости фактора G для генера50 тОРНОй КатУШКИ КВаДра НОГО СЕЧЕНИЯ lr) =

=lr2 = Ir от относительного расстояния h/Ir при значениях In1/Ir = 0,135, In2/Ir = 0,783 и

lnr/Ir = 0,255 (фиг.4) следУет, что максималь- 55 ные значения G и А8 достигаются при рабочем расстоянии hp = 0,094 lr. В этом случае получается не только наибольшая чувствительность измерений, но и минимальное влияние малых изменений воздушного зазара, а следовательно, и мелких неровностей повЕрхности среды, Фокусирующие свойства предлагаемого устройства достигаются за счет плоской формы конструкции и соответствующего выбора высоты контактных выступов 9 защитного кожуха 7.

Вторичное поле однородной магнитной среды с плоской поверхностью определяется фиктивным источником, который образуется совмещением генераторной катушки с ее изображением в плоской поверхности при изменении ее магнитного момента в у раз

y =-05к), . (3)

Следовательно, градуировочная катушка непосредственно моделирует отраженный источник и строго воспроизводит поле магнитной среды с плоской поверхностью, если градуировочная катушка по форме и всем размерам аналогична генераторной катушке, соосна с ней и находится от нее на расстоянии, равном удвоенному расстоянию генераторной катушки до плоской поверхности среды. При этом градуировочная катушка может отличаться от генераторной диаметром провода и количеством витков.

Незначительная погрешность появляется, если градуировочную катушку выполнить в виде отдельных витков провода, равномерно распределенных по пазу намотки. Обычно приемлемая точность сохраняется и при локализации провода вблизи среднего витка градуировочной катушки, который по форме и размерам совпадает со средним витком генераторной катушки.

Ввидуотрицательногознака у магнитные моменты градуировочной и генераторной катушек должны быть направлены в одну сторону, что обеспечивается согласным включением катушек 8 и 1. Абсолютная величина у должна совпадать с отношением магнитных моментов градуировочной и генераторной катушек. В предположении неизменности, стабильности тока I при работе и градуировке отношение моментов совпадает с отношением количества витков

Wrp градуировочной катушки к количеству витков Wr генераторной катушки, т.е, .

=Wrp/Wr. С учетом формулы (3) величина кажущейся градуировочной восприимчивости кгр =2 ИгрЛИг (4) Методика количественной интерпретации результатов измерений с предлагаемым устройством состоит в следующем. На первом этапе по выходным показателям измерительного блока и и Arp, полученным при исследовании магнитной среды и при граду1714546 ировке, находят кажущуюся восприимчивость

=Кгр Il Arp

1 1 // (5) а затем определяют магнитную восприимчивость среды к =к (1 — 0,5к ° Для слабо1 1) магнитной среды с к < 0,1 СИ значение

1 к". к Процедура вычислений упрощается в случае цифровой индикации, если путем регулировки коэффициента усиления измерительного блока обеспечено численное

1 совпадение отсчета и со значением к выраженным, например, в 10 б долях единицы

СИ, Пример, На каркас из оргстекла наматывают катушки прямоугольной формы, сначала приемные, а затем генераторная. Длина стороны среднего витка прямоугольной генераторной катушки 1г =

=152 мм, количество витков Wr = 200, а индуктивность 13,6 мГн, Каждая из одинаковых приемных катушек характеризуется параметрами l i = 20;5 мм, 42 = 119 мм, lп3 12 мм, 1гп = 38 75 MM М/и = 1200.

При встречном включении приемных катушек их общая индуктивность 368 м Гн, Рабочее расстояние от центра генераторной катушки до плоской поверхности среды выбрано в соответствии с расчетными данными ho = 14,3 мм, Градуировочная катушка вследствие этого располагается от генераторйой на расстояние 2ho = 28,6 мм. Градуировочная катушка имеет малое количество витков Wrр = 3, а поэтому в соответствии с фОрмулай (4) Krp = 3000.10 СИ.

Генератор переменного тока вырабатывает синусоидальное напряжение 2,65 8 частотой 1000 Гц. Для уменьшения потребляемой мощности и увеличения отношения сигнал/шум на эту резонансную частоту с помощью конденсаторов (не показано) настраиваются генераторная и приемная цепи устройства. Усилительная схема содержит, усилительный узел, синхронный детектор преобразователь напряжение — цифровой код и цифровой индикатор (не показано).

Путем изменения направления включения;приемных катушек 2 и 3 установлено, что благодаря встречно последовательному их соединению влияние внешней помехи снижается почти на порядок.

Моделью среды с плоской поверхностью раздела служит емкость со слабомагнитной минеральной смесью, являющейся отходами переработки магнетировых руд (размеры зерен смеси менее 1 мм). Магнитная восприимчивость смеси к = 3810 СИ определяется с помощью астатического

15 магнитометра. 8ыходные показания и макета устройства, снимаются при различных расстояниях h от центра генераторной катушки до выравненной поверхности смеси (значения h устанавливаются с помощью диэлектрических пластин толщиной 0,5 — 10 мм), Путем умножения на подобранный коэффициент отклонения и переводятся в экспериментальные значения геометрического фактора, показанные на фиг. 4 точками. Экспериментальные точки хорошо укладываются на расчетную кривую. Кроме того, по отсчету и, снятому при рабочем расстоянии h<>, отсчету в воздухе пгр в момент включения градуировочной ка тушки и полученному значению кгр по формуле (5) определена магнитная восприимчивость модели к = 0,39 10 СИ, очень близкая к установленному ранее с по20 мощью астатического магнитометра значению.

Рассматривалась возможность применения устройства для исследования образцов. Из картона изготавливались кубики, 25 заполняемые той же минеральной смесью.

Минимальное ребро d кубика 2,5 см, а затем размеры увеличивались через сантиметр до

12 см. При снятии отсчета побр от кубика его центр находится на оси генераторной ка30 тушки на расстоянии йо+ d/2, Затем находят отсчет и от модели среды и определяют коэффициент влияния размеров образца:

Кобр = побр/и. ГРафик зависимости Кобр от длины ребра d показан на фиг.5. Для опре35 деления к любого слабомагнитного образца вместо формулы (5) следует пользоваться соотношением

K = Кгр noáðá(Ïrð Кобр) . (6)

На фиг.б и 7 представлены сечения со40 ответствующими плоскостями варианта предлагаемого устройства с наружным расположением приемных катушек 2 и 3, Если расстояние1гп между центрами генераторной и приемной катушек достаточно велико по сравнению с размерами катушек

1 — 3, то суммарная вторичная ЭДС Ьа выражается соотношением:

Ля = 0,25,ио го Wr Wz lг1 !г> dn гй 6 к1 (7) где dï — диаметр среднего витка приемной катушки, =15 —" (1+4()г) (8)

Расчетная кривая геометрического фактора (8) представлена на фиг;8, из которой следует рабочее расстояние ho = 0,25 1гп.

Благодаря значительной глубинности исследования, обеспечиваемой выбором разноса lr, предлагаемое устройство с

1714546

55 наружным расположением приемных катушек может найти применение при технологическом опробовании железной руды на горно-обогатительных комбинатах.

Формула изобретения .

Устройство для измерения магнитной восприимчивости, содержащее кожух, в котором размещены взаимно перпендикуля рные генераторная и приемная катушки, один вывод генераторной катушки подключен к выходу генератора переменного тока низкой частоты, а один вывод приемной катушки соединен с входом измерительного блока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено дополнительной приемной катушкой, идентичной первой, и градуировочной катушкой, соединенной с переключателем, приемные катушки включены последовательно встречно, второй выводдополнительной приемной ка тушки подключен к второму выводу измерительного блока, приемные катушки, которые

Расположены соосно друг относительно

5 друга, размещены по обе стороны относительно центра генераторной катушки, градуировочная катушка размещена GOOGHQ генераторной катушке, а средние витки гра, дуировочной и генераторной катушке вы10 полнены идентичными, при этом второй вывод генераторной катушки соединен с градуировочной катушкой, а переключатель подключен к второму выводу генератора переменноготока низкой частоты, причем рас15 стояние между центрами градуировочной и генераторной катушек, равно удвоенному расстоянию от центра генераторной катушки до плоскости, проходящей через вершины контактных выступов, выполненных на

20 кожухе устройства, 1714546

4ис. 5

О,пу

00б

005

020 /2/.

070

0,05

015

h gap

1,2

08

g) 20 40 бО 80 100 120 d,Mpg

Фиг. 5

1714546

0.1

02 ОФ Об 08,0 фцг3

Составитель Ф. Тарнопольская

Техред М,Моргентал Корректор Т. Малец

Редактор О. Головач

Заказ 691 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101