Устройство для определения параметров магнитного поля

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой устройство для определения параметров магнитного поля и может применяться для определения коэффициента ослабления модуля индукции магнитного поля в экранируемых рабочих объемах, а также в объемах с активной компенсацией геомагнитного поля. Устройство содержит два магнитометра, измеряющих магнитное поле внутри и снаружи экранированного объема соответственно, синхронизированные сигналы с которых через соответствующие аналоговые коммутаторы, фильтры верхних частот и аналого-цифровые преобразователи подаются на мультиплексор, после чего обрабатываются процессором. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства для измерения параметров магнитного поля за счет обеспечения возможности одновременного измерения параметров магнитного поля внутри экранирующей камеры и за ее пределами. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров магнитного поля, в том числе коэффициента ослабления напряженности (индукции) магнитного поля, различной этиологии в экранируемых объемах широкого применения (камерах, боксах и т.д.), а также в объемах с активной компенсацией геомагнитного поля.

Изобретение может быть также отнесено к технике, например, экранирования при проведении медико-биологических исследований в области изучения влияния магнитных полей на биологические и биофизические объекты.

Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды - электромагнитный. К его появлению привело развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, некоторых видов транспорта, а также развитие ряда технологических процессов. В настоящее время мировой общественностью признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью. Введено специальное понятие - электромагнитная экология.

Экранирование (компенсация) электромагнитных полей (ЭМП) является актуальной задачей защиты здоровья, информационной безопасности, электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии жилых помещений, защиты помещений для серверов и/или электронного оборудования.

По сравнению с ЭМП естественного происхождения (естественный электромагнитный фон Земли) техногенные ЭМП обладают на порядки большей интенсивностью и неравномерностью локализации по пространству (Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы // Успехи Физических Наук, 2003, том 173, №3, с.265-300. Птицына Н.Г., Дж. Виллорези, Л.И. Дорман и др. Естественные и техногенные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // Успехи Физических Наук, 1998, том 168, №7, с.768-790.).

Выяснение механизмов воздействия электромагнитных полей на биологические объекты является чрезвычайно актуальной задачей, решение которой может позволить в перспективе защитить жизнь и здоровье человека. Для корректной постановки подобных исследований необходимо существенно уменьшить влияние всех действующих ЭМП (включая естественный электромагнитный фон Земли) в некотором ограниченном объеме, достаточном для размещения биологического или биофизического объекта и проведения конкретного эксперимента.

С этой целью проводится измерение коэффициента ослабления поля экранами (либо устройствами компенсаторного типа) различной конфигурации, в том числе в виде замкнутых объемов (камеры, боксы), для чего используются стандартные магнитометры с одним измерительным зондом, например, феррозондом. Сначала измеряют модуль вектора индукции магнитного поля вне объема, а затем внутри. Коэффициент ослабления определяют по отношению результатов этих двух замеров. Процедура таких измерений разделена во времени, что не позволяет производить контроль коэффициента ослабления магнитного поля камерой.

В то же время ряд биофизических задач требует процедуры измерения и контроля коэффициента ослабления магнитного поля камерой именно в реальном времени, т.е. в технологических процессах, в которых контроль коэффициента ослабления магнитного поля является необходимым и обязательным а процедура раздельного измерения невозможна.

Примером такой задачи является технология получения средства, обладающего гелиогеомагнитопротекторными свойствами по патенту РФ №2342149, МКИ A61K 33/00 опубл. 27.12.2008 г. Указанное средство подвергается длительной экспозиции (не менее 5 часов) в рабочем пространстве экранирующего устройства, обеспечивающего ослабление полного вектора геомагнитного поля не менее чем в 300 раз в сравнении с фоном. Время экспозиции не менее 5 часов не позволяет производить измерение и контроль коэффициента ослабления геомагнитного поля традиционным (разделенным во времени) способом.

Экранирование технических средств передачи информации и помещений, в которых происходит прием, передача и обработка конфиденциальной информации, позволяет снизить уровни электромагнитных излучений до заданных величин.

ГОСТ Р 51724-2001 «Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное. Методы измерений и оценки соответствия уровней полей техническим требованиям и гигиеническим нормативам» регламентирует методы измерения, а также рекомендует серийные магнитометры для этой цели. С учетом требований и регламентов ГОСТа создаются современные устройства и разрабатываются средства определения уровней магнитного поля внутри помещений в зависимости от внешних источников электромагнитного поля. Измерение напряженности (индукции) магнитного поля проводят в контрольных точках в штатных климатических, механических и электромагнитных условиях эксплуатации контролируемых объектов и рабочего места. Один из методов определения уровней магнитного поля по ГОСТу (см. пп.6, 7) заключается в многократном измерении значений модуля вектора напряженности (индукции) внешнего поля, и по сопоставлению полученных результатов измерений определяется значение коэффициента ослабления магнитного поля экранирующей камерой (коэффициента экранирования).

Сложность определения коэффициента ослабления магнитного поля экранирующей камерой заключается в необходимости проведения многократных последовательных измерений модуля вектора индукции внешнего поля и модуля вектора индукции магнитного поля в рабочей зоне (экранирующей камере).

В большинстве известных устройств для обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей основной акцент делается на усовершенствование конструктивных материалов. Традиционно для создания электромагнитного экрана или экранированного объема применяются материалы в виде стальных, медных, алюминиевых листов, фольги («Переносная экранированная камера» (патент РФ №2345512, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.01.2009); «Экранированный бокс с защищенным от внешнего электромагнитного воздействия внутренним объемом» (патент РФ №2402892, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.10.2010).

Однако задача обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей не может решаться только в плане усовершенствования конструктивных материалов экранирующих камер.

Известно устройство для исследования влияния электромагнитных полей на биологические объекты (патент РФ №2454675, МКИ G01R 1/00, 5/00, опубл. 27.06.2012), содержащее магнитный экран в виде куба внутри сферы. Экран, изготовленный по изобретению, обеспечивает экранирование по постоянной и переменной составляющим магнитного поля.

Недостатком этого устройства является то, что в нем не решается задача измерения влияния внешнего магнитного поля на объекты, находящиеся внутри куба.

Известно устройство измерения интенсивности и направления внешних магнитных полей, включающее источник тока и приборы регистрации на полупроводниковых элементах («Apparatus for measuring the intensity and direction of external magnetic fields including power supply and recording units having respective semi-conductor devices», US Patent 4,218,652, August 19, 1980). Данное устройство предназначено для измерения только внешнего магнитного поля.

Известен способ определения оптимальных параметров магнитного поля для регулирования всхожести семян (патент РФ №2342658, G01N 33/487, G01N 27/74, A01C 1/00, опубл. 27.12.2008), по которому исследуемый объект подвергают одновременному воздействию магнитным полем с частотой 3-300 Гц, напряженностью 0,15-10 А/м и переменным электрическим полем с частотой 1-30 Гц и напряженностью 0,01-0,07 мВ/м.

Недостаток способа заключается в том, что на исследуемый объект воздействует только магнитное поле от внутреннего источника, но не учитывается влияние внешнего магнитного поля.

Известно устройство стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме (патент РФ №2274870, МКИ G01R 33/02, опубл. 20.04.2006) на основе измерителя магнитного поля, содержащего трехкомпонентный феррозондовый стержневой магнитометр, при этом выход каждого феррозонда подключен к преобразователю информационного сигнала, включающему соединенные последовательно фазовый детектор и усилитель, и блок управления. Измеренные параметры геомагнитного поля используются для формирования компенсирующего воздействия. Рабочий объем является единым для размещения объекта воздействия и магнитометра.

Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Недостаток этого устройства - ограниченные функциональные возможности, поскольку невозможно определение коэффициента ослабления магнитного поля экранирующей камерой (коэффициента экранирования), так как не предусмотрено одновременное измерение магнитного поля внутри и за пределами рабочего объема, т.е. экранирующей камеры.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для определения параметров магнитного поля за счет обеспечения возможности одновременного в реальном времени измерения магнитного поля внутри экранирующей камеры и за пределами на открытом пространстве, т.е. за счет одновременного измерения геомагнитного поля и гипогеомагнитного поля, и определения текущего значения коэффициента ослабления геомагнитного поля экранирующей камерой.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения параметров магнитного поля, содержащее трехкомпонентный магнитометр с феррозондами и блок управления, при этом феррозонды размещены внутри экранированного рабочего объема и выход каждого из них подключен к информационному входу соответствующего преобразователя информационного сигнала, включающего усилитель, согласно изобретению, дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один трехкомпонентный магнитометр с феррозондами, размещенными за пределами рабочего объема и подключенными к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала, при этом каждый из преобразователей информационного сигнала содержит последовательно соединенные усилитель и синхронный детектор, а выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам одного и того же магнитометра, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор со входом фильтра верхних частот, выход которого соединен, непосредственно или через последовательно с ним соединенное устройство выборки и хранения, с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя АЦП, при этом информационные выходы каждого АЦП соединены с соответствующими входами, по меньшей мере, двухвходового цифрового мультиплексора, а блок управления содержит задающий генератор, первым выходом связанный со входами феррозондов, вторым выходом связанный со входами управления синхронных детекторов, а третьим выходом соединенный с синхровходом блока цифровой синхронизации, связанного двунаправленной связью с процессором и соединенного первыми выходами со входами управления аналоговых коммутаторов, а вторыми выходами - со входами управления устройств выборки и хранения, входами управления аналого-цифровых преобразователей и входом управления цифрового мультиплексора, при этом информационный вход процессора подключен к выходу цифрового мультиплексора, а информационный выход процессора связан с блоком индикации или с внешним устройством.

Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведено условное изображение экранированного рабочего объема и приведена блок-схема варианта выполнения предлагаемого устройства для определения параметров магнитного поля на основе двух магнитометров.

На блок-схеме условно изображена экранирующая камера 1, внутри которой образован экранированный рабочий объем, в котором размещен первый трехкомпонентный магнитометр 2 с феррозондами 2.1, 2.2, 2.3, подключенными к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала (на фигуре не показаны), включающих в себя последовательно соединенные усилители 4.1, 4.2, 4.3 и синхронные детекторы 5.1, 5.2 и 5.3 соответственно. Блок 3 управления (на фигуре не показан) управляет работой устройства и включает в себя задающий генератор 7, блок 9 цифровой синхронизации и процессор 10. Феррозонды 14.1, 14.2, 14.3 второго трехкомпонентного магнитометра 14 размещены за пределами рабочего объема и подключены к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала (на фигуре не показаны), включающих в себя последовательно соединенные усилители 15.1, 15.2., 15.3 и синхронные детекторы 16.1, 16.2 и 16.3 соответственно. Выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам 2.1, 2.2, 2.3 первого магнитометра 2, являющиеся выходами синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор 8 со входом фильтра 6 верхних частот, выход которого соединен через устройство 11 выборки и хранения или, в зависимости от типа АЦП, непосредственно с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя АЦП 12. Выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам 14.1, 14.2, 14.3 второго магнитометра 2, являющиеся выходами синхронных детекторов 16.1, 16.2, 16.3, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор 17 со входом фильтра 18 верхних частот, выход которого в зависимости от характеристик и типа используемых АЦП, соединен через устройство 19 выборки и хранения или непосредственно с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя. Информационные выходы АЦП 12, 20 соединены с соответствующими информационными входами, по меньшей мере, двухвходового цифрового мультиплексора 21. Задающий генератор 7 блока управления 3 первым выходом связан со входами феррозондов 2.1, 2.2, 2.3, 14.1, 14.2, 14.3, вторым выходом связан со входами управления синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3, а третьим выходом соединен с синхровходом блока 9 цифровой синхронизации. Блок 9 цифровой синхронизации связан двунаправленной связью с процессором 10 и соединен первыми выходами со входами управления аналоговых коммутаторов 8, 17, а вторыми выходами - со входами управления устройств 11, 19 выборки и хранения, входами управления АЦП 12, 20 и входом управления цифрового мультиплексора 21. Информационный вход процессора 10 подключен к выходу цифрового мультиплексора 21, а информационный выход процессора 10 связан двунаправленной связью с блоком индикации 22, включающим в себя устройство индикации и блок выбора режима индикации, или с внешним устройством, таким как компьютер (на фигуре не показано).

Устройство работает следующим образом.

Измерение трех компонент вектора индукции Xo, Yo, Zo геомагнитного (внешнего) поля и трех компонент вектора индукции Хг, Yг, Zг гипогеомагнитного (внутреннего) поля производится двумя независимыми измерительными каналами. Оба канала выполнены по идентичным схемам. Напряжение частотой 12,5 кГц с первого выхода задающего генератора 7 поступает на обмотки возбуждения всех шести феррозондов 2.1, 2.2, 2.3, 14.1, 14.2, 14.3. Одновременно напряжение с удвоенной частотой, т.е. с частотой 25 кГц, со второго выхода задающего генератора 7 поступает на соответствующие входы синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3, на информационные входы которых поступают усиленные с помощью усилителей 4.1, 4.2, 4.3, 15.1, 15.2, 15.3 сигналы с выходов феррозондов 2.1, 2.2, 2.3, 14.1, 14.2, 14.3, которые являются результатом преобразования воздействующих на них внешних сигналов (проекции векторов напряженности магнитного поля на их продольную ось) в ЭДС переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой ЭДС пропорциональна значению напряженности магнитного поля, а фаза содержит информацию о направлении вектора напряженности магнитного поля. С целью подавления помех и определения направления соответствующих составляющих векторов напряженности магнитных полей использован метод синхронного детектирования. Сигналы с выходов синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3 через согласующие усилители подаются на два аналоговых коммутатора 8, 17, каждый из которых имеет три информационных входа (по количеству феррозондов), а переключением информационных каналов управляет блок цифровой синхронизации 9, управляемый, в свою очередь, процессором 10 посредством двунаправленной связи, осуществляемой через шину обмена данных в соответствии с алгоритмом работы всего устройства. Каждый из аналоговых коммутаторов 8, 17 поочередно подает сигналы от синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3 на фильтры 6, 18 верхних частот, срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) которых определяет частотный диапазон работы устройства. Далее сигналы поступают на устройства 11, 19 выборки и хранения, а затем на аналого-цифровые преобразователи 12, 20, синхронизируемые блоком 9 цифровой синхронизации, ведомым процессором 10.

Таким образом, на выходе каждого из аналого-цифровых преобразователей в каждом цикле измерений имеется последовательно три цифровых значения составляющих индукции магнитного поля как внешнего геомагнитного, так и гипогеомагнитного, которые подаются на информационные входы цифрового мультиплексора 21, управляемого соответствующим образом блоком 9 цифровой синхронизации. Информационные данные с выхода цифрового мультиплексора 21 последовательно подаются в процессор 10, который в реальном времени (одновременно) вычисляет модули векторов индукции геомагнитного и гипогеомагнитного поля, а также их отношение, которое и является искомой величиной - коэффициентом ослабления геомагнитного поля или коэффициентом экранирования.

Модуль вектора индукции геомагнитного поля |Bo| определяется как корень квадратный из суммы квадратов составляющих Box, Boy, Boz.

Модуль вектора напряженности гипогеомагнитного поля |Bг| определяется как корень квадратный из суммы квадратов составляющих Bгx, Bгy, Bгz

Коэффициент ослабления магнитного поля определяется как отношение 20 Log |Bо|/|Bг|.

Устройство также содержит блок 22 индикации, обеспечивающий выбор режима индикации и позволяющий выводить на табло устройства индикации измеренные значения интересующих величин.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве количество измерительных каналов может быть легко увеличено в зависимости от производственной необходимости, что позволяет подключить к устройству дополнительные внешние магнитометрические устройства и за счет статистической обработки совокупности результатов измерений индукции внешнего поля уменьшить влияние его неоднородности на конечный результат.

Устройство для определения параметров магнитного поля, содержащее трехкомпонентный магнитометр с феррозондами и блок управления, при этом феррозонды размещены внутри экранированного рабочего объема и выход каждого из них подключен к информационному входу соответствующего преобразователя информационного сигнала, включающего усилитель, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один трехкомпонентный магнитометр с феррозондами, размещенными за пределами рабочего объема и подключенными к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала, при этом каждый из преобразователей информационного сигнала содержит последовательно соединенные усилитель и синхронный детектор, а выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам одного и того же магнитометра, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор со входом фильтра верхних частот, выход которого соединен, непосредственно или через последовательно соединенное устройство выборки и хранения, с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя АЦП, при этом информационные выходы каждого АЦП соединены с соответствующими входами дополнительно введенного, по меньшей мере двухвходового, цифрового мультиплексора, а блок управления содержит задающий генератор, первым выходом связанный со входами феррозондов, вторым выходом связанный со входами управления синхронных детекторов, а третьим выходом соединенный с синхровходом блока цифровой синхронизации, связанного двунаправленной связью с процессором и соединенного первыми выходами со входами управления аналоговых коммутаторов, а вторыми выходами - со входами управления устройств выборки и хранения, входами управления аналого-цифровых преобразователей и входом управления цифрового мультиплексора, при этом информационный вход процессора подключен к выходу цифрового мультиплексора, а информационный выход процессора связан с блоком индикации или с внешним устройством.