Устройство для измерения магнитного поля

Полезная модель относится к области магнитных измерений и может быть использована для снижения влияния высокочастотных и импульсных непреднамеренных промышленных магнитных помех на работу устройств для измерения магнитного поля при сохранении их чувствительности к медленным изменениям магнитного поля.

Предлагаемое устройство для измерения магнитного поля, содержит первичный преобразователь магнитного поля, электронную систему обработки сигнала, индикатор сигнала, и отличается тем, что первичный преобразователь магнитного поля помещен внутрь проводящего немагнитного цилиндра (или кольца), при этом центр цилиндра (или кольца) совпадает с центром магниточувствительного элемента преобразователя магнитного поля, а ось симметрии цилиндра (или кольца) совпадает с направлением магниточувствительной оси первичного преобразователя магнитного поля. Цилиндр (или кольцо) изготавливается из проводящего немагнитного материала малого сопротивления с такими геометрическими размерами, которые обеспечивают небольшое отношение сопротивления к индуктивности кольца или цилиндра.

На примере магнитоэлектронного датчика магнитного поля экспериментально показано, что уменьшение флуктуаций магнитного поля при применении устройства подавления магнитных помех происходит более чем в 2 раза.

Полезная модель относится к области магнитных измерений и может быть использована для снижения влияния высокочастотных и импульсных непреднамеренных промышленных магнитных помех на работу устройств для измерения магнитного поля при сохранении их чувствительности к медленным изменениям магнитного поля.

Известны различные устройства для измерения магнитных полей [1-4]. Все они содержат первичный магниточувствительный преобразователь (магниторезистивный, феррозондовый, магниторезонансный), электронные устройства обработки и отображения сигнала. Работа устройств основана на преобразовании измеряемой компоненты магнитного поля в электрический сигнал с последующей его обработкой. Недостатком этих устройств является то, что они чувствительны к любым изменениям внешнего магнитного поля, включая преднамеренные и непреднамеренные магнитные помехи естественного или искусственного происхождения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения магнитных полей [5]. Оно содержит последовательно соединенные феррозонд, первый интегрирующий дискретизатор, конденсатор, первый

масштабный преобразователь, второй интегрирующий дискретизатор, усилитель переменного напряжения, фазочувствительный демодулятор, второй масштабный преобразователь и третий интегрирующий дискретизатор, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозонда. Реализацией весового интегрирования в канале преобразования осуществляется подавление внутренних ферромодуляционных и внешних низкочастотных и высокочастотных помех.

Недостатком данного устройства является то, что оно требует сложной электронной системы формирования сигнала, направляемого в компенсационную обмотку феррозонда.

Задача заявляемого решения - снижение влияния на работу устройства для измерения магнитных полей высокочастотных и импульсных промышленных помех при сохранении чувствительности к медленно меняющимся магнитным полям.

Предлагаемое устройство для измерения магнитных полей отличается от выбранного прототипа тем, что первичный магниточувствительный преобразователь помещен внутрь проводящего немагнитного цилиндра (или кольца). Предлагаемое устройство для измерения магнитных полей представляет собой первичный преобразователь магнитного поля, электронную систему обработки сигнала, индикатор сигнала, а также установленный таким образом проводящий немагнитный цилиндр (или кольцо), что центр цилиндра (или кольца) совпадает с центром магниточувствительного элемента преобразователя магнитного поля, а ось

симметрии цилиндра (или кольца) совпадает с направлением магниточувствительной оси первичного преобразователя магнитного поля.

Цилиндр (или кольцо) изготавливается из проводящего немагнитного материала малого сопротивления с такими геометрическими размерами, которые обеспечивают небольшое отношение сопротивления к индуктивности кольца или цилиндра. На Фиг.1 показан первичный преобразователь с установленным цилиндром (кольцом), где 1 - первичный преобразователь магнитного поля, 2 - выход на электронную систему обработки, 3 - экранирующий цилиндр.

Принцип подавления помех основан на явлении электромагнитной индукции. В результате быстрых изменений внешнего магнитного поля (промышленной помехи) в цилиндре (или кольце) возникает ЭДС индукции и индукционный ток I, который по правилу Ленца будет иметь такое направление, что порождаемый им магнитный поток будет стремиться скомпенсировать действие внешнего быстро изменяющегося магнитного поля B _внеш. Величина этого индукционного тока

где _инд - ЭДС индукции, I - индукционный ток в цилиндре (кольце), L - индуктивность цилиндра (кольца), Ф_внеш - внешний магнитный поток через площадь, ограниченную цилиндром (кольцом), , где D - диаметр цилиндра (кольца), R=pl/S - сопротивление цилиндра (кольца), - удельное сопротивление, соответствующее материалу цилиндра (кольца),

l=·d - периметр цилиндра (кольца), S=d·h - площадь поперечного сечения цилиндра (кольца), перпендикулярная направлению индукционного тока.

Соотношение (1) сводится к линейному неоднородному дифференциальному уравнению

Общим решением однородного уравнения (2) является .

Чтобы найти частное решение неоднородного уравнения необходимо задать вид функции B_внеш=B(t).

При гармонической помехе B_внеш(t)=B _m cost и при условии, что индукционные токи однородны по всему периметру цилиндра и лежат в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра, это решение для индукционного тока имеет вид

Индуцированное магнитное поле в центре цилиндра (кольца)

и с учетом (3)

Тогда в центре цилиндра (кольца) суммарное магнитное поле В_действ=В_внеш (t)+В_инд(t)=B_msin(t+), где коэффициент подавления

С увеличением частоты внешней магнитной помехи эффективность подавления возрастает.

Использование данного пассивного устройства приводит к подавлению высокочастотных помех в той или иной степени, а устройство измерения магнитного поля в результате регистрирует только медленные изменения магнитного поля. Причем такой способ подавления магнитных помех применим к любым устройствам измерения магнитного поля.

При проведении экспериментальных исследований использовался магнитоэлектронный датчик слабых магнитных полей, основным назначением которого является определение компонент магнитного поля Земли с точностью не хуже 10 нТл. Магнитоэлектронный датчик представляет собой генератор, имеющий в цепи обратной связи ЖИГ-резонатор, частота которого связана с магнитным полем соотношением В _рез=f_рез, где =28 Гц/нТл. При измерениях магнитное поле преобразуется в частотный отклик.

Экспериментальные исследования действия подобного устройства проводились на установке, состоящей из датчика магнитного поля 1, алюминиевого цилиндра 2 (внешний диаметр =7,5 см, высота h=15,5 см, толщина стенки =0,3 см, сопротивление R=12,66·10^-6 Ом), источника

преднамеренной помехи 3, генератора низких частот Г3-123 - 4, источника питания датчика GPS-3303 - 5, анализатора спектра Я4С-54 - 6 (Фиг.2).

Преднамеренная магнитная помеха создавалась рамкой размером 70×60 см² с намотанным на нее медным проводом (число витков N=190). Частота помехи задавалась генератором низких частот в пределах от 50 до 1500 Гц. Спектр выходного сигнала датчика без экрана, определяющий девиацию частоты датчика для помехи 1000 Гц показан на Фиг.3а. При экранировании датчика указанным алюминиевым цилиндром происходило существенное (в 2,5 раза) уменьшение девиаций частоты датчика (Фиг.3б). На частотах ниже 100 Гц заметного влияния экрана не наблюдалось.

Экспериментально исследовались также компенсации импульсных непреднамеренных промышленных помех. В качестве устройства подавления помех использовался латунный цилиндр (внешний диаметр =2,9 см, высота h=2,3 см, толщина стенки =0,2 см, R=140,51·10^-6 Ом). Установка состояла из датчика магнитных полей 1, экранирующего цилиндра 2, источника питания датчика GPS-3303 - 3, электронно-счетного частотомера Ч3-63/1 - 4 и сопряженной с ним ПЭВМ 5 (Фиг.4). При анализе результатов эксперимента предварительно проводилась специальная обработка показаний датчика, заключающаяся в удалении из ряда полученных значений частоты нестационарной составляющей, т.е. тренда. Для полученного в результате такой обработки ряда вычислялось среднеквадратичное отклонение f_ср.кв.. На Фиг.5а представлен график зависимости от времени изменений магнитного поля, регистрируемых неэкранированным датчиком, значение

среднеквадратичного отклонения составляет В_{ср кв}=9,5 нТл. На Фиг.5б представлена аналогичная зависимость для датчика, экранированного латунным цилиндром (=2,9 см, h=2,3 см, R=140·10^-6 Ом), В_{ср кв}=3,49 нТл. Видно, что уменьшение флуктуации магнитного поля при применении устройства подавления магнитных помех происходит более чем в 2 раза.

Таким образом, при установке проводящего немагнитного цилиндра (или кольца) устройство измерения магнитного поля становится чувствительным только к медленным изменениям магнитного поля.

Возможным вариантом конструктивного решения является установка цилиндров (или колец) в трех взаимно перпендикулярных плоскостях как показано на Фиг.6.

Технический результат заключается в том, что при использовании немагнитных проводящих цилиндров или колец в устройствах для измерения магнитного поля снижается влияние быстропеременных и импульсных магнитных помех, причем использование сложных электронных схем не требуется.

Источники информации:

1. Магниторезистивный датчик. Россия, патент 94027656, МПК ⁶, Н01L 43/08, Институт проблем управления РАН; Опубл. 20.05.1997 г.

2. Многофункциональное интегральное магнитополупроводниковое устройство. Патент №2280917 МПК Н01L 27/14. Игнатьев А.А., Ляшенко А.В, ОАО «Тантал»; Опубл. 27.07.06 г.

3. Датчик магнитного поля. Россия, патент 22150712, МПК G01R 33/05, Соборов Г.И., Институт физики им. Л.В.Киренского СО РАН; Опубл. 10.06.2000.

4. Цифровой феррозондовый магнитометр со следящим уравновешением. Россия, патент 1318069, МПК G01R 33/02, Соборов Г.И., АО Раменское приборостроительное конструкторское бюро; Опубл. 10.08.1998.

5. Устройство для измерения магнитных полей. Россия патент 2118831, МПК G01R 33/02, Соборов Г.И., АО Раменское приборостроительное конструкторское бюро; Опубл. 10.09.1998.

Устройство для измерения магнитного поля, содержащее первичный преобразователь магнитного поля, электронную систему обработки сигнала, индикатор сигнала, отличающееся тем, что первичный преобразователь магнитного поля помещен внутрь проводящего немагнитного цилиндра или кольца, при этом центр цилиндра или кольца совпадает с центром магниточувствительного элемента преобразователя магнитного поля, а ось симметрии цилиндра или кольца совпадает с направлением магниточувствительной оси первичного преобразователя магнитного поля.