УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРЫ АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОГО ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
DEVICE TO MEASURE STRUCTURE OF AXIAL-SYMMETRICAL ALTERNATING MAGNETIC FIELD

Предлагаемое изобретение относится к области лабораторных электрических измерений и может бить применен для измерений структуры переменных магнитных полей.
Целью предлагаемого изобретения является создание устройства для исследования структуры переменных магнитных полей с высокой точностью, чувствительностью и эффективностью.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в применении системы концентрических измерительных катушек с общей медианной плоскостью, которая при измерениях пошагово перемещается вдоль оси исследуемого переменного магнитного поля.
Аналогом предлагаемого изобретения является измерительная катушка (см. Физический энциклопедический словарь, "Советская энциклопедия", М., 1962, т.2, стр.133). Аналог пошагово перемещается вдоль координатной оси исследуемого магнитного поля. Недостаток аналога состоит в том, что его нужно пошагово перемещать по всему координатному пространству с магнитным полем. Обычно это делается с помощью специального устройства, что не всегда обеспечивает заданную точность измерения.
Прототипом предлагаемого изобретения является измерительная кольцевая катушка, (см. Ишков Л.П. патент РФ №2413956). Прототип состоит из системы двух концентрических катушек с малым зазором между ними и электрически соединенных последовательно, а по магнитным потокам - встречно.
Недостаток прототипа в том, что он позволяет измерять магнитное поле только между катушками, т.е. на одном фиксированном радиусе. Для других радиусов исследуемого пространства нужна другая пара катушек с другими размерами, а это уже составит другую проблему.
В качестве примера предлагаемое изобретение представлено на чертежах.
Фиг 1. Общин вид, устройства в диаметральном сечении.
Фиг 2. Система концентрических измерительных катушек, СИК.
Фиг 3. Электрическая схема СИК.
Фиг 4. Блок-схема экспериментальной установки.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - исследуемый соленоид.
2 - система измерительных катушек, СИК.
2.1 - фланец,
2.2 - цилиндр,
2.3 - контакт электрический,
2.4 - кольцо диэлектрическое,
2.1.n - отверстие во фланце для концов измерительной катушки.
3 - ходовой винт,
3.1 - штурвал ходового винта,
3.2 - указатель аксиального положения СИК,
3.3 - контргайка,
3,4 - шкала аксиальных перемещений СИК.
4.1 - пластина диэлектрическая средняя,
4.2 - пластина диэлектрическая средняя,
4.3 - пластина диэлектрическая верхняя,
5.1 - стойка диамагнитная нижняя,
5.2 - стойка диамагнитная верхняя,
5.3 - гайка диамагнитная.
6.1 - катушка измерительная первая,
6.1.1 - начало первой измерительной катушки,
6.1.2 - конец первой измерительной катушки,
6.О - общий провод СИК,
6.n - коммутирующий провод СИК.
7 - лабораторный автотрансформатор ЛАТР-1.
8 - трансформатор понижающий, нестандартный.
9 - амперметр Э-59, 2,5-5 а, класс 0,5.
10 - регистрирующий прибор, мультиметр ВР-11, цифровой, трехразрядный.
Согласно фиг.1 устройство для измерения структуры аксиально-симметричного переменного магнитного поля состоит из: системы измерительных катушек СИК 2 с ходовым винтом 3, который снабжен указателем аксиального положения СИК 3.2 и штурвалом ходового винта 3.1. Устройство помещено аксиально в исследуемый соленоид 1, который по торцам снабжен пластинами 4.1 и 4.2, которые жестко стягиваются стойками 5.1. Штурвал ходового винта 3.1 лежит на пластине диэлектрической верхней 4.3. Вдоль одной из стоек диамагнитной верхней 5.2 смонтирована шкала аксиальных перемещений СИК 3.4. Указатель аксиального положения СИК 3.2 на одном конце снабжен резьбой, которой он накручивается на ходовой винт 3.1 и фиксируется контргайкой 3.3, а на другом конце снабжен отверстием, который свободно насаживается на стойку диамагнитную вертикальную 5.2 напротив шкалы аксиальных перемещений СИК 3.4.
Согласно фиг.2 СИК-2 состоит из фланца 2.1, к которому жестко присоединен цилиндр 2.2. Во фланце 2.1 аксиально вдоль одного радиуса сделан ряд отверстий 2.1.n, через которые проходят концы измерительных катушек 6.1.1. Начала всех измерительных катушек припаяны к общему контакту 6.0.
Технология изготовления СИК состоит в следующем. Начало первой измерительной катушки 6.1.2 припаивается к контакту 2.3, и первая половина измерительной катушки наматывается на цилиндр заданного диаметра 2.2 "от фланца" 2.1, а вторая половина "к фланцу", и конец выводится через отверстие 2.1.1.
Для изготовления второй измерительной катушки на первую измерительную катушку наматывается кольцо диэлектрическое /бумажное/ 2.4.2 заданного размера, а на кольцо уже наматывается вторая катушка, таким же образом. После нескольких повторений получается СИК-2, принципиальная электрическая схема которой показана на фиг.3.
На фиг.4 представлена блок-схема установки для экспериментального исследования структуры магнитного поля в соленоиде по заявке на патент №2013103571/07, автор тот же. Эта типовая схема состоит из лабораторного автотрансформатора ЛАТР-1 - 7 и трансформатора понижающего 8, которые питают исследуемый соленоид через амперметр Э59 - 9. Цифровой регистрирующий прибор ВР-11 при измерениях поочередно подключается к одной из катушек СИК-2, которая размещена в соленоиде 1.
Принцип действия предлагаемого изобретения состоит в том, что переменный во времени магнитный поток, пронизывая окружающий его контур, создает в контуре электродвижущую силу, закон Фарадея,
,
где m - количество витков контура,
S - площадь контура,
ω - угловая частота колебаний магнитного потока.
См. "Энциклопедический словарь», М., Сов. энциклопедия, 1984, стр.672.
Следовательно , т.е. величина магнитной индукции пропорциональна величине эдс измерительной катушки. Закон имеет дифференциальную форму, поэтому чем меньше будет диаметр контура, т.е. измерительной катушки, тем точнее будет измерена величина действующей индукции.
Перемещение измерительной катушки по координатам исследуемого магнитного поля позволяет измерить структуру магнитного поля в заданном пространстве B(r,z).
Согласно предлагаемому изобретению первая измерительная катушка взята за стандарт по площади, а количество витков всех катушек одинаково. Медианные плоскости всех измерительных катушек совмещены. При этом площадь второй измерительной катушки увеличена в 2 раза.
2
1
S=2S, ,
Следовательно, для последующих катушек  и разность эдс соседних катушек будет определять индукцию на средней радиусе соседних катушек.
Предлагаемая система измерительных катушек позволяет одновременно, одинаково, регистрировать магнитную индукцию на разных радиусах аксиально-симметричного магнитного поля. Это гораздо удобнее, чем пользоваться катушкой аналогам или парой катушек прототипа.
В предлагаемом изобретении система измерительных катушек 2 перемещается координатным механизмом по оси симметрии исследуемого магнитного поля.
Координатный механизм состоит из ходового винта 3 со штурвалом 3.1 и указателем аксиального полонения 3.2, по углу он фиксирован стойкой 5.2. Действие координатного механизма осуществляется при вращении штурвала 3.1. В примененном устройстве использовалась резьба М4 с шагом 0,7. Для перемещения СИК-2 на один шаг производилось семь оборотов штурвала. Шаг измерений составлял 4,9 мм. Перемещение СИК-2 контролировалось указателем аксиального положения СИК-2 по шкале 3.4. Угловое положение штурвала выдерживалось при измерениях одно и то же. В принципе возможно применение нониусов для повышения точности фиксации координат.
Экспериментально исследовался соленоид по заявке №2013103571 с внутренним диаметром 40 мм, длиною 80 мм, который был намотан многослойно с плотной рядовой укладкой витков медным эмалированным проводом диаметром 1 мм.
Для отработки технологии и достижения оптимального соотношения всех размеров было изготовлено несколько СИК. Завершающая СИК имела 7 измерительных катушек, которые накатывались медным эмалированным проводом диаметром 0.08 мм по 110 витков в каждой катушке. Размеры их в табл.1.
В последних двух строчках представлены расчеты для СИК с 10-тью измерительными катушками.
К началу измерений, когда блок-схема по фиг.4 была готова к измерениям, начало третьей катушки случайно оборвалось. Проведенные измерения представлены в табл.2. Первая колонка представляет координату по оси соленоида 1. Верхняя строка представляет номера измерительных катушек.
Числа, стоящие в шести правых колонках табл.2, представляют эдс измерительных катушек, измеренные с помощью регистрирующего прибора 10 на фиг.4. Все максимумы числовых значений приходятся на координату z=40,45 мм. При переходе от левой колонки к правой числовые значения возрастают скачком. Наименьшие значения - в крайней левой колонке, которые соответствуют внутренней центральной измерительной катушке, а наибольшие значения - в крайней правой колонке, которая соответствует седьмой катушке.
Табл.3 построена вычитанием числовых значений левых колонок из смежных правых при фиксированной аксиальной, z=const. Верхняя строка табл.3 представляет среднее значение радиуса между смежными измерительными катушками. Таким образом получено радиально-аксиальное распределение структуры магнитного поля исследованного соленоида. Аксиально магнитное поле монотонно возрастает от торца соленоида до его медианной плоскости z=40 мм. При дальнейшем увеличении z до 150 мм магнитное поле убывает монотонно до уровня пороговой чувствительности регистрирующего прибора BP-11.
Радиально магнитное поле внутри соленоида возрастает. На оси соленоида магнитное поле при этом минимально.
На фото 1 представлено устройство в сборе. СИК расположена в верхнем торце соленоида.
На фото 2 представлен намоточный станок в рабочем моменте, измерительная катушка находится на валу. Снизу - первичная обмотка катушки зажигания.
На фото 3 представлены пять СИК в порядке увеличения в них количества измерительных катушек.
Из вышеизложенного следует.
1. Предлагаемое изобретение вполне реализуемо в натуре в широком диапазоне размеров и величин.
3. Предлагаемое изобретение позволяет надежно исследовать структуру переменного аксиально-симметричного магнитного поля.