Способ измерения магнитного поля

 

О П И С А Н И Е (11) 560I93

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.01.75 (21) 2099643/21 (51) М. Кл."- G OIR 33/00 с присоединением заявки J¹

Госурарственный комитет

Соввта Министров СССР ао долам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.05.77. Бюллетень № 20

Дата опубликования описания 07.07.77 (53) УДК 621.317Л4 (088.8) (72) Авторы изобретения

А. Г. Сметанин, P. С. Бабаев, В. В. Голованов и Б. А, Шамурии (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕН ИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при построении первичных измерительных прсобразователей, преимущественно слабого постоянного или медленноменяюшегося магнитного поля в электрический сигнал, геофизических и навигационных устройств.

Известен способ измерения магнитного поля, по которому в измеряемое поле помещают магнитопровод с распределенной по нему сигнальной обмоткой и вспомогательным переменным полем либо одновременно постоянным и переменным полями осуществляют подмагничивание магнитопровода. В результате подмагничивания изменяется магнитная проницаемость тела магнитопровода, а следовательно, магнитная проницаемость тела магнитопровода для внешнего измеряемого поля. Изменение магнитной проницаемости тела магнитопровода приводит к модуляции измеряемого магнитного потока в нем с частотой, совпадающей с частотой поля подмагничивания, или удвоенной частотой. О величине измеряемого поля судят по величине ЭДС в сигнальной обмотке с частотой подмагничивающего поля или удвоенной частотой. Способ реализуется с использованием как замкнутых, так и разомкнутых магнитопроводов (I j.

Однако магнитная проницаемость тела магнитопровода для внешнего измеряемого магнитного поля и магии ный поток в теле магнптопровода связаны с магнитной проницаемостью материала магнитопровода нелинейной зависимостью и изменяются в меньших абсолютных и относительных предела.;. Это снижает помехоустойчивость, чувствительность и тем самым точность измерения по этому способу. Кроме того, в случае регистрации

ЭДС в сигнальной обмотке, изменяющейся с удвоенной по сравнению с полем подмагничивания частотой, усложняются соответствующие вторичные преобразователи.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является способ измере15 ния магнитного поля с помощью чувствительного элемента в виде замкнутого магнитопровода с распределенной по нему сигнальной обмоткой, заключающийся в периодическом подмагнпчпвании противолежащих участков

20 магнптопровода и измерении ЭДС в сигнальной обмотке (2).

Однако при измерении по этому способу магнитная проницаемость тела магнитопро25 вода в направлении измерения изменяется по закону, нелинейно связанному с изменением проницаемости материала участков. Это приводит к вредной модуляции измеряемого магнитного потока через тело магнитопровода по

30 нелинейному закону, а следовательно к появ

560193

Э

20 лению высших гармонических составляющих в выходной ЭДС.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу противолежащие участки магнитопровода помещают во вспомогательные постоянные поля одинаковых величины и направления, а также в переменные поля одинаковой величины, но разного направления, либо в переменные поля одинаковой величины и направления и в постоянные поля одинаковой величины, но разного напряжения.

На фиг. 1 показан чувствительный элемент; на фиг. 2 и 3 — кривые изменения дифференциальной магнитной проницаемости материала участков для случая противофазного подмагничивания по одной ветви и разным ветвям кривой намагничивания соответственно, на фиг. 4 — эквивалентная схема магнитных потоков в магнитопроводе.

Пример 1. Для измерения использовали чувствительный элемент (фиг. 1) в виде замкнутого магнитопровода 1 с распределенной по замкнутому контуру сигнальной обмоткой 2.

Каждый из противолежащих участков 3 и 4 помещали в зазор отдельного электромагнита.

По обмоткам электромагнитов пропускали постоянный ток одинаковых величин и знака и переменный ток одинаковой величины, но разного знака. Чувствительный элемент помещали в эталонное поле с известными напряженностью и направлением и ориентировали до совпадения продольной оси магннтопровода с направлением поля, Замер ЭДС осуществляли в сигнальной обмотке и находили коэффициент, определяющий чувствительность измерения как частное от деления выходной

ЭДС, на величину напряженности поля.

Чувствительный элемент помещали в измеряемое поле и ориентировали продольной осью в направлении измерения, замеряли выходную ЭДС. Для нахождения величины поля в направлении измерения полученное значение ЭДС делили на коэффициент, определяющий чувствительность измерения.

На фиг. 2 кривая 5 изображает изменение дифференциальной магнитной проницаемости материала магнитопровода в функции напряженности поля подмагничивания, Участки 3 и

4 в зазорах электромагнитов находятся под действием постоянного поля с напряженностью

Н (оба участка) и переменного поля с напряженностью, изменяющейся Во времени по кривым 6 и 7 соответственно. Проницаемость материала участков 3 и 4 изменяется во времени по противофазным кривым 8 и 9.

Пример 2. Для измерений применяли чувствительный элемент, показанный на фиг. 1.

Каждый участок 3 и 4 помещали в зазор отдельного электромагнита, По обмоткам электромагнитов пропускали постоянный ток одинаковой величины, но разного знака и переменный ток одинаковых величины и знака.

Дальнейшие измерения выполняли как описано выше. Результаты измерения совпадают.

Участки 3 и 4 в зазорах электромагнитов находились под действием постоянных полей с напряженностью +Hi н — H> соответственно и переменного поля одного направления (кривые 6 и 6 ) . Проницаемость материала участков 3 и 4 изменялось во времени по противофазным кривым 8 и 9 соответственно.

Пример 3. Для измерений использовали чувствительный элемент показанный на фиг. 1.

В каждом из противолежащих участков 3 и 4 выполняли отверстие, в котором размещали обмотку подмагничивания. Подачу тока в обмотки подмагничивания и дальнейшие операции по измерению осуществляли в соответствии с примерами 1 и 2. Результаты измерений совпадают.

Ниже приводится характеристика чувствительного элемента, результаты измерений по примерам 1, 2 и 3 и математический анализ по предлагаемому способу.

Магнитопровод чувствительного элемента выполняли из листового пермаллоя толщиной

0,05 мм при наборе 1,2 мм, длине магнитопровода 90 мм и после термообработкп помещали в защитный диэлектрический чехол (сигнальная обмотка 400 витков, обмотка подмагничивания по 50 витков на каждом электромагните или в каждом отверстии), В обмотку подмагничивания подавали постоянный ток 9 ма и переменный ток 2 ма частоты 5 кгц.

Получено значением выходной ЭДС с частотой 5 кгц — 10 мв для поля с единичной напряженностью 1 а/м в диапазоне измеряемых полей от 0 до 50 а/м. Коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала (коэффициент гармоник) в поле с напряженностью

25 а/м менее 2 /о, остаточный сигнал при нулевом значении напряженности измеряемого поля 1,5 м/в, выходное сопротивление чувствительного элемента по сигнальной обмотке

250 ом.

Выбором в примерах 1, 2 и 3 режима подмагничивания по постоянному току (величины тока) и по переменному току (амплитуды и формы тока) может быть обеспечен синусоидальный характер изменения магнитной проницаемости материала участков 3 (Vi) и 4 (V ). В этом случае кривые 8 и 9 математически могут быть записаны в виде ., =,.+ з1пИ; р, =, — Лиз1пЫ где р. и Лр среднее значение и амплитуда приращения магнитной проницаемости материала участков;

B — круговая частота;

1 — время.

При этом очевидно, что магнитная проводимость материала магнитопровода gi, в направлении измерения, а следовательно магнитная проводимость тела магнитопровода gT во внешнем поле этого направления и магнитный поток Hp через тело магнитопровода 560193 от измеряемого поля остаются неизменными во времени и равны

Роя

Й м: 0 + Йа: Ро (Р1+ Р.а)

РОР 8

Фо — i o," о где g»i g — магнитная проводимость материала участков 3 и 4;

pp — абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

p„— магнитная проницаемость тела магнитопровода;

Hp — напряженность измеряемого магнитного поля;

1 и S — длина и площадь поперечного сечения магнитопровода.

Поток Фв от измеряемого магнитного поля распределяется по участкам 3 и 4 замкнутого магнитопровода в соответствии с их магнитной проводимостью определяемой магнитной проницаемостью материала участков, Потоки

Ф и Ф в участках 3 и 4 могут быть найдены по первому закону Кнрхгофа для магнитных цепей и равны

ФО + РО ЛР

2 2 Р. фо фо Р

Фа = — — . — з1п Ы. 7 7

Эквивалентная схема действуюгцих в магнитопроводе магнитных потоков представлена на фиг. 4, где 10 и 11 — источники переменныv потоков

ФО AР ©о — -з1пЫ и . з1пИ.

2 Р. 2 Р.

Из схемы видно, что действующий в магнитопроводе магнитный поток от измеряемого поля может быть представлен как постоянHbIH поток Ф, равномерно распределенный по участкам 3 и 4 н замкнутый переменный магнитный поток. IloIoa по замкнутому контуру магнитопровода (Ф вЂ” ) может быть найден как разница магнитных потоков Ф1 и Ф

Ф = Ф, sinQt= Р,Р,H,S sin Qt, и а ЭДС (е) в сигнальной обмотке с числом витков W

10 de ЬР е = — W = — 1Г Р,Р Н,S cos Qt

Из последнего выражения видно, что выходная ЭДС связана с напряженностью измеряемого поля через постоянные коэффициен15 ты и имеет гармонический характер при гармоническом противофазном законе изменения магнитной проницаемости материала противолежащих участков магнитопровода.

Формула изобретения

Способ измерения магнитного поля с помощью чувствительного элемента в виде замкнутого магнитопровода с распределенной по

25 нему сигнальной обмоткой, заключающийся в периодическом подмагничивании противолежащих участков магнитопровода и измерении

ЭДС в сигнальной обмотке, о т л и ч а ю щ и йся тем, что, с целью повышения точности из30 мерений, противолежащие участки магнитопровода помещают во вспомогательные постоянные поля одинаковы.: величин и направления, а также в переменные поля одинаковой величины, но разного направления, либо в пе35 ременные поля одинаковы.; величины и направления и в постоянные поля одинаковой величины, но разного направления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе изобретения:

40 1. Афанасьев 10. В. Феррозонды, Л., «Энергия», 19б9, с. 14 — 39.

2. Авт. св. М 352238, кл. G 01R 33/00, 15.03.71.

560193

1 1

Фиг. 3

Фиг.Ф

Составитель О. Богомолов

Техред Л. Деиискина

Рсдактор Т. Рыбаловн

Еорректор Е. Хмелева

Заказ 1462/17 Изд. № 470 Тираж 1106 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )K-35, Раушская наб., д. 4/5

Типографии, ир. Сапунова, 2