Способ измерения параметров магнитного поля
Владельцы патента RU 2709703:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)
Изобретение относится к измерению направления или напряженности магнитных полей. Способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения параметра, возникающего на обкладках конденсатора из диэлектрического материала, снабженного двумя токопроводящими пластинами с выводами, установленными параллельно друг к другу, где диэлектриком является композит, при помещении его в магнитное поле, при этом применяют композит магнитожидкостной с 10% содержанием частиц из нанокристаллического магнитномягкого материала с высокой магнитной проницаемостью (μ≥50000) продолговатой формы и размеров, лежащих в пределах 1-100 мкм, измерение емкости производят на частоте 1 МГц, и величину магнитного поля определяют по градуировочной кривой или по известной величине, характеризующей чувствительность конденсатора. Технический результат – повышение чувствительности и упрощение способа измерения постоянного магнитного поля. 6 ил.
Изобретение относится к измерению направления или напряженности магнитных полей, может найти применение в создании миниатюрных датчиков магнитного поля в контрольно-измерительной аппаратуре для индикации и измерения параметров магнитного поля.
Для измерения напряженности магнитного поля в настоящее время используются много способов [1] основными из которых являются следующие:
1 - магнитометрический способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку, он прост в исполнении, однако имеет большую погрешность.
2 - способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате явления электромагнитной индукции. К этому способу относится баллистический способ, основанный на измерении заряда, индуктируемого в магнитной катушке при изменении пронизывающего ее магнитного потока, связан с необходимостью вращать либо передвигать контур и также имеет небольшую чувствительность.
3 - способ, основанный на измерении эдс Холла, возникающей в результате эффекта Холла имеет максимальную чувствительность до 1 мВ/Э [2] и основан на измерении постоянного сигнала, что значительно понижает его помехоустойчивость.
Известен также способ [3], основанный на измерении разности фаз, возникающей при прохождении электронов через сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона в магнитном поле. Этот способ имеет максимальную чувствительность, однако его применение связано с использованием веществ, находящихся в сверхпроводящем
Известен способ магнитопорошкового контроля, заключающийся в намагничивании изделия, нанесении непосредственно на его поверхность магнитного порошка или ферромагнитной суспензии и последующий визуальный осмотр индикаторного изображения на поверхности этого изделия [4].
Недостатком такого способа является невозможность количественной оценки результатов неразрушающего контроля, так как контроль дефектов осуществляется визуально.
Известен способ, который показывает изменение величины магнитного поля. Данный способ основан на чувствительном элементе в виде магнитной жидкости, которая под воздействием магнитного поля имеет возможность перемещаться и изменять свою форму (от слабо вытянутой до нитевидной) [5, 6].
Недостатком способа является низкая чувствительность и необходимость использования специальной аппаратуры анализа визуальной информации.
Наиболее близко к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату и принятому за прототип, является способ позволяющий определить изменение вектора магнитного поля в листовом металле [7], способ основан на чувствительном элементе в виде магниточувствительной жидкости, которая под воздействием магнитного поля меняет свою световую проницаемость, которая фиксируется фотоэлементом.
Недостатком данного способа является низкая чувствительность и механизм регистрации показаний.
Задача заявленного изобретения - упростить способ, повысить чувствительность.
Для решения этой задачи предложен способ измерения магнитного поля путем измерения емкости пластинчатого конденсатора, диэлектриком которого является магниточувствительная жидкость со следующими параметрами: частицами из нанокристаллического магнитномягкого материала с высокой магнитной проницаемостью (μ≥50000), продолговатой формы и размеров, лежащих в пределах 1-100 мкм.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, состоящей из: 1. корпуса из немагнитного материала; 2. магниточувствительная жидкость; 3. токопроводящие контакты; 4. выводы для подключения измерительного прибора.
При помещении конденсатора в магнитное поле силовые линии этого поля пронизывают магниточувствительную жидкость, в результате чего, домены магниточувствительной жидкости ориентируются коллиниарно к вектору магнитного поля и происходит объединение частиц в цепочечные агрегаты вследствие взаимодействия магнитных моментов и выстраивание их определенным образом вдоль вектора магнитного поля. В результате емкость конденсатора с магниточувствительной жидкостью изменяется. Измерение емкости конденсатора проводилось на измерителе Е7-12 на частоте 1 МГц. Это изменение связано с изменением диэлектрической проницаемости магниточувствительной жидкости при воздействии магнитного поля. Изменение емкости зависит от процентного содержания, размера и формы частиц, а также их магнитной проницаемости. В качестве диэлектрика конденсатора использовалась магниточувствительную жидкость с частицами анизотропной формы (в виде «иголок» или «дисков») из нанокристаллического магнитномягкого материала с высокой магнитной проницаемостью (μ≥50000).
Выбор измерителя емкости Е7-12 с частотой 1 МГц обусловлен наибольшей простотой и чувствительностью данного прибора. Использование приборов с большей частотой усложняет процедуру измерения и снижает чувствительность и точность измерений.
Выбор материала и продолговатой формы частиц с высокой магнитной проницаемостью (μ≥50000) обусловлен общеизвестным свойством чувствительности магнитных частиц к внешнему магнитному полю.
Выбор 10% процентного содержания частиц обусловлен экспериментально установленной величиной, обеспечивающей простоту и воспроизводимость приготовления магнитной жидкости.
Выбор диапазона размеров частиц 1-100 мкм обусловлен ограничением снизу чувствительностью способа измерения емкости, а сверху сложностью приготовления магнитной жидкости и вязкостью ее основы.
Пример конкретного осуществления изобретения приведен ниже:
В экспериментальных исследованиях применялась магнитная жидкость на основе полиметилфенилсилоксана (ПФМС-4), содержащая наночастицы железа размером 100 нм, частицы карбонильного железа размером 2–5 мкм и частицы нанокристаллического сплава марки 5 БДСР дисперсностью 1-140 мкм
Концентрация частиц в ПФМС-4 не превышает 15 объемных процента.
Приготовление магнитной жидкости осуществлялось механическим и ультразвуковым интенсивным перемешиванием. Далее суспензия помещалась в измерительную ячейку (фиг. 2) объемом 0,5 см3. Внутри корпуса располагались медные обкладки площадью S = 10 мм2 на расстоянии d = 3 мм, которые соединялись с гибкими выводами.
При помещении конденсатора в магнитное поле силовые линии этого поля пронизывают магниточувствительную жидкость, в результате чего, домены магниточувствительной жидкости ориентируются коллиниарно к вектору магнитного поля и происходит объединение частиц в цепочечные агрегаты вследствие взаимодействия магнитных моментов и выстраивание их определенным образом вдоль вектора магнитного поля. В результате емкость конденсатора с магниточувствительной жидкостью изменяется. Это изменение связано с изменением диэлектрической проницаемости магниточувствительной жидкости при воздействии магнитного поля Измерение емкости ячейки проводили на приборе типа E7-12 на частоте 1 МГц. Для изучения влияния магнитной жидкости на электрические параметры ячейки она подвергалась воздействию внешнего магнитного поля. Измерения емкости ячейки проводились при воздействии магнитного поля параллельно и перпендикулярно измерительному электрическому полю. На фиг. 3 приведена экспериментальная установка для исследования влияния магнитного поля на магнитную жидкость в конденсаторе, где 5 – измеритель L, C, R типа Е7-12; 6 – измерительная ячейка, заполняемая исследуемой жидкостью с площадью пластин S=10 мм 2 и расстоянием между пластинами d=3 мм; 7 – магнит.
Магнитное поле создавалось постоянным магнитом. Для определения силы магнитного поля (магнитной индукции) магнита, действующего на измерительную ячейку, использовали микротесламетр МТ-10. Для этого показания микротесламетра МТ-10 устанавливали на ноль и подносили магнит, по измерительной линейке определяли расстояние от магнита до микротесламетра МТ-10 и фиксировали силу магнитного поля магнита действующего на микротесламетр МТ-10 (фиг. 4), где 8 – микротесламетр МТ-10; 9 – измерительная линейка; 7 – магнит. Для измерения чувствительности данного способа конденсатор с магниточувствительной жидкостью помещали в экранированную трубу, которая была изготовлена из лент аморфных магнитомягких сплавов (фиг. 5).
Магнитная индукция внутри данной трубы измерялась при помощи микротесламетра МТ-10. Изменение магнитной индукции, равное ΔВ = 5,9 мкТл, приводило к изменению емкости (ΔС) на 1,35 пФ, то есть чувствительность данного способа составила 0,228 пФ/мкТл в соответствии с градуировочной кривой (фиг. 6).
Измерения показали возможность повышения чувствительности, изменяя конфигурацию и размер частиц.
Использование предлагаемого способа позволяет упростить способ и повысить чувствительность измерений.
Источники:
1. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под ред. Е.Г. Шрамкова. -М., Высшая школа, 1972, 520 с.
2. Бараночников М.Л. Микромагнетоэлектроника. -М.: ДМК Пресс, 2001, 554 с.
3. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применение. -М.: Мир, 1984, 639 с.
4. Г.С. Шелихов. Магнитопорошковая дефектоскопия деталей и узлов. Москва, 1995 г., с.34-45.
5. Неразрушающий контроль металлов и изделий: справочник / под редакцией Г.С. Самойловича. – М. : Машиностроение, 1976 . – 456 с.
6. Б.М. Берковский и др. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1989. - 240 с.
7. Патент РФ № 55996 U1, МПК G01R33/02, опубл. 27.08.2006.
Способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения параметра, возникающего на обкладках конденсатора из диэлектрического материала, снабженного двумя токопроводящими пластинами с выводами, установленными параллельно друг к другу, где диэлектриком является композит, при помещении его в магнитное поле, отличающийся тем, что композит магнитожидкостной с 10% содержанием частиц из нанокристаллического магнитномягкого материала с высокой магнитной проницаемостью (μ≥50000) продолговатой формы и размеров, лежащих в пределах 1-100 мкм, измерение емкости производят на частоте 1 МГц, и величину магнитного поля определяют по градуировочной кривой или по известной величине, характеризующей чувствительность конденсатора.
