Способ измерения величины и направления магнитного поля и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советския

Социалистическик

Республик нн785811

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 27.06.78 (21) 2633918/18-21 (51)M Кд с присоединением заявки Й9 (23) Приоритет

G 01 R 33/02

1 осударствениый комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 071280. Бюллетень ¹ 45

Дата опубликования описания 091280 (53) УДК 621.317. .44(088.8) (72) Автор изобретения й. И. Рутман (71) Заявитель

Московский вечерний металлургический институт (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технике магнитных измерений и предназначено для измерения величины и направления магнитных полей, а также радиостанционной передачи этих измерений, например, в системах управления, автоматического регулирования и контроля производственными процессами.

Известны способы и устройства для измерения величины и направления магнитных полей, в основе которых лежат различные физические принципы, например эффект Холла, магнетронный эффект, эффект ядерного магнитного резонанса (ЯМР), устройства с изменением магнитного сопротивления (1) .

Однако малая величина выходного отклика ограничивает разрешающую способность и чувствительность реали- 20 зующих эти способы устройств и делает необходимым использование таких устройств совместно с усиливающими и, если требуется большая точность измерения, преобразующими в дискретно- 15 цифровую форму, дополнительными специальными устройствами. Это существенно удорожает общее устройство, снижает его надежность. Кроме того дистанционность измерения достигается с помощью кабельных проводных линий, что неудобно.

Известен способ измерения магнитного поля, основанный на взаимодействии поля с заряженными частицами ионизованной газовой среды (плазмы) (2) .

Этот способ является наиболее близким по техническому решению к изобретению.

Магнитоэлектрический датчик выполнен в виде диска с присоединенными к его центру и периферии проводниками, снабжен кольцом, соосно расположенным с диском и герметически соединенным с ним двумя диэлектрическими шайбами, причем пространство между кольцом и диском заполнено газообразным реагентом. Под влиянием напряжения возникает разряд и газ переходит в плазму. В магнитом поле траектории частиц отклоняются от прямолинейных.

В результате увеличивается внутреннее сопротивление датчика, которое и принимается за меру величины измеряемого магнитного поля.

Как следует из приведенного описания, магнитоэлектрический датчик является датчиком магнитосопротивления на основе газоразрядной плазмы.

785811

Однако проводимость плазмы не сильно зависит от величины магнитного поля, и в слабых полях изменяется малозаметно. Поэтому и этот датчик имеет достаточно слабый выходной сигнал, а следовательно, и малые разрешающую способность и чувствительность. Он фало эффективен .(особенно для работы в слабых магнитных полях).

Целью изобретения является уве-. личение разрешающей способности и чувствительности измерения.

Достигается это тем, что создают кольцевой контрагированный разряд и ограничивают его перемещение по всем степеням свободы, кроме радиальной, а за меру величины измеряемого магйитного поля принимают изменение частоты колебаний электрического тока в разряде.

В устройстве для осуществления способа, содержащем кольцевую газоразрядную камеру с двумя электродами и электрический блок, кольцевая газоразрядная камера выполнена из диэлектрика, герметично разделена поперечной диэлектрической стенкой, а электроды расположены по обе стороны разделительной стенки и выполнены штыревыми.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа измере.— ния величины и направления магнитного поля °

Устройство представляет собой выполненную из диэлектрика кольцевую гаэораэрядную камеру 1, герметично разделенную поперечной диэлектрической стенкой 2, по обе стороны которой расположены два штыревых электрода 3 и 4. Между электродами 3 и 4 создают кольцевой контрагированный разряд 5. Электрический блок содержит балластное б и нагрузочное 7 сопротивления, шунтирующую емкость 8, которая может иметь и паразитный характер в схеме, волномер 9, выходы для съема электрического сигнала: Х и $$- для местных и; III — для радиодистанционных измерений.

В слаботочном слабоконтрагированном разряде среднего давления поряд-, ка 10 "-10 ат могут самовозбуждаться регулярные колебания на частоте

10 -10 Гц. Вольтамперная характеристика такого разряда имеет гистерезисные особенности. Обнаружено, что в области вольтамперной гистерезисной петли колебания в разряде особенно интенсивны и стабильны, их частота зависит от длины разряда и,благодаря электромагнитному излучению в радиодиапазоне, колебания могут восприниматься радиодистанционно. В петле колебания имеют релаксационный характер и связаны с переменным характером контракции разряда. Разряд в целом оказывается чувствительным к силам гравитации н инерций.

Специально выполненные экспериментальные исследования показали, что частота электрических колебаний в описываемом разряде существенно зависит от величины магнитного поля, накладываемого перпендикулярно на разряд, так как под действием магнит1 ного поля разряд деформируется и, следовательно, удлиняется. Эти исследования дали основание испольэовать © контрагированный разряд для целей магнитометрии.

Однако разряд в свободном состоянии (например, линейный разряд в цилиндрической трубке) оказывается не1 пригодным для измерения магнитного поля, так как он, как было указано, чувствителен к силам гравитации и инерции, а поэтому также изменяет свою длину под действием этих сил.

Из-за этого становится невозможным

25 различить причины, вызвавшие изменение длины разрядов а, следовательно, и изменение частоты электрических колебаний в разряде.

Кроме того, эффект модуляции часд» тоты колебаний в разряде магнитным полем четный, что в случае разряда в свободном состоянии делает невозможным определение знака (направления) магнитного поля и его пространственных компонент.

Для того, чтобы сделать разряд пригодным для целей магнитометрии, в данном способе измерения магнитного поля предусматривается создание кольцевого контрагированного разряда с ограничением его перемещения по всем степеням свободы, кроме радиальной, для которой разряд оказывается практически нечувствительным к силам гравитации и инерции.

40 Устройство для реализации способа измерения магнитного поля работает следующим образом.

В отсутствие магнитного поля (B=O), кольцевой контрагированный разряд 5

4» плотно охватывает (как бы оттягивает") внутренний диаметр диэлектрической газоразрадной камеры 1. При этом в разряде происходят электрические колебания с некоторой стационарной частотой 1, зависящей от величины разрядного тока г устанавливаемой переменным сопротивлением 6. В магнитном поле, если это поле образует правовинтовую нормаль с плоскостью кольцевого разряда при обходе разряда в направлении отрицательной полярности, происходит взаимодействие цоля с токонесущими компонентами плазмы (на электроны и ионы разряда действуют радиальные распирающие кольgg цевой разряд силы Лоренца),что ведет к увеличению кольцевого диаметра разряда 5 с удлинением его средней линии. При этом частота колебаний в разряде изменяется (уменьшается) отно- сительно стационарной 90 на некото?S5811

Формула изобретения рую величину д1, которая и принимается за меру действующего (измеряеого) магнитного поля. Для поля обатйой полярности устройство нечувст вительно, так как в этом случае силы

Лоренца имеют центронаправленный характер, стягивают разряд, и разряд, плотно охватывающий внутренний диаметр газоразрядной камеры 1, не изменяет своего кольцевого диаметра, а следовательно, и не изменяется частота стационарных колебаний 4 в раз- ®

0 ряде. Для измерения поля обратной полярности нужно переориентировать устройство, т.е. перевернуть устройство так, чтобы измеряемое магнитное поле и его составляющие снова образо- 15 вывали правовинтовую нормаль с плоскостью кольцевого разряда.

Таким образом устройство обладает селективной чувствительностью к направлению магнитного поля, а знак 1О и распределение его пространственных компонентов определяются по пространственной ориентации устройства при измерениях.

Помехозащищенность разряда в устройстве от сил гравитации и инерции, к которым, как было указано, разряд оказывается чувствительным, обеспечивается кольцевой конструкцией газоразрядной камеры, кольцевой канал которой обжимает разряд в попереч- 30 нике так, что он не имеет других степеней свободы, кроме радиальной под действием сил Лоренца.

Выходной сигнал в виде частотномодулированных электрических колеба- 35 ний снимается при местных измерениях в виде достаточно высоковольтных колебаний пилоообразной формы с выхода Дили в форме остроконечных импульсов с нагрузочного сопротивле- 40 ния 7 - выход I, а также при радиодистанционных измерениях с катушки волномера 9 - выход OI.

При радиостанционных измерениях волномер 9 работает в режиме ударного возбуждения и, если он настроен 45 на частоту заведомо большую \)О, излучаемую устройством, то отзывается на каждый электромагнитный импульс устройства цугом собственных быстрозатухающих колебаний. При дистанции 50 в несколько метров для уверенной работы устройства на волномер не требуется никакого промежуточного усиления.

Способ дает возможность получить высокий выходной уровень, дискретную форму, высокий КПД и радиодистанционность измерений; исключает необходимость в дополнительных преобразующих и усиливающих устройствах и, следовательно, сокращает общие расходы на разработку устройств для магнитных измерений с мощным выходом, что дает экономию в народном хозяйстве.

Из всего изложенного следует, что в целом устройство для осуществления предложенного способа представляет собой плазменный электромагнитный датчик, осуществляющий преобразование измеряемой величины в частотно-модулированные электромагнитные колебания. Поэтому для унификации специфических особенностей такого устройства представляется целесообразным присвоить ему наименование ПЛАЭМД (плазменный электромагнитный датчик).

1. Способ измерения величины и направления магнитного поля с помощью газового разряда, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности измерения, создают кольцевой контрагированный разряд и ограничивают его перемещение по всем степеням свободы, кроме радиальной, а эа меру величины измеряемого магнитного поля принимают .измерение частоты колебаний электрического тока в разряде.

2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее кольцевую гаэоразрядную камеру с двумя электродамн и электрический блок, о т л ич а ю щ е е с я тем, что кольцевая гаэоразрядная камера выполнена иэ диэлектрика, герметично разделена поперечной диэлектрической стенкой, а электроды расположены по обе стороны разделительной стенки и выполнены штыревыми.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Чечерников В. И. Магнитные измерения. Изд-во NIV,1963, с. 31-46.

2. Авторское свидетельство СССР

В 464875, кл. G 01 R 33/02, 1975.

785811 р С. Цомак

Составитель Е. Данилина

Редактор е. Гончар техре н Г б

Закаэ 8836/50 Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений:и открытий

113035 Москва Ж-35. Ра ская наб. д. 4 5

Филиал П П Патент, r. Ужгород, ул. роектная, "Л