УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для измерения магнитной восприимчивости магнетитовых руд при оперативном опробовании стенок горных выработок, а также оценки качества рудной массы в навалах, вагонетках и на самосвалах.
Известен рудничный измеритель магнитного влияния среды РИМВ-3, предназначенный для геофизических исследований и оценки качества магнетитовых руд при измерениях в скважинах, на стенках горных выработок, рудной массы в навалах, вагонетках и самосвалах, а также при исследовании порошковых проб (см. Каталог геофизической аппаратуры. - М.: Недра, 2005. Перечень геофизической аппаратуры, выпускаемой ГНПП «Геологоразведка». Наземная аппаратура для магнитных исследований). РИМВ-3 возбуждает электромагнитное поле и производит измерение его напряженности с помощью индукционного преобразователя, генераторная катушка которого подключена к источнику низкочастотного напряжения, а измерительная катушка - к вторичному электронному преобразователю. Работа данного прибора основана на возбуждении электромагнитного поля в объеме исследуемого пространства и измерении относительного изменения магнитной составляющей напряженности этого поля в зависимости от изменения магнитных свойств исследуемой среды. Под воздействием электромагнитного поля в измерительной катушке наводится ЭДС, значение которой максимально при расположении индукционного преобразователя (зонда) в немагнитной среде (в воздухе), а при наличии магнитной среды ЭДС уменьшается с увеличением магнитной восприимчивости горной породы и руды. Приращение ЭДС измерительной катушки зонда зависит от количественного содержания магнитного компонента в контролируемой среде. Для опробования в навалах горной массы и на самосвалах с железорудной породой используется индукционный зонд с соосно расположенными генераторной и приемной катушками, которые удалены друг от друга на расстояние около 0,5 м.
Недостатком прибора РИМВ-3 является невысокая точность и низкая чувствительность измерений, обусловленная зависимостью его показаний от неровностей поверхности исследуемой среды.
Наиболее близким решением к заявляемой полезной модели является устройство для опробования магнетитовых руд. В составе данного устройства применяется зонд, содержащий генераторную, приемную и две компенсационных катушки, оси которых параллельны друг другу и расположены в одной плоскости перпендикулярно поверхности исследуемой среды. Также в устройстве применены генератор синусоидального напряжения, подключенный к генераторной обмотке, два усилительно-преобразовательных блока, блок выделения большего сигнала и регистратор. Приемная обмотка зонда подключена между общей шиной и объединенными выводами двух компенсационных катушек, свободные выводы которых соединены соответственно с входами двух усилительно-преобразовательных блоков, а выходы этих блоков подключены к первому и второму входам блока выделения большего сигнала, выход которого соединен с регистратором, фиксирующим результаты контроля (см. патент №2006888, МПК G01V 3/165, G01V 3/18, опубл. 1994 г.).
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность, обусловленная слабым изменением амплитуды сигналов на приемной и компенсационных обмотках при изменении магнитной восприимчивости исследуемых сред. В частности, при подаче синусоидального напряжения с частотой 1 кГц и амплитудой 50 В на генераторную катушку значение ЭДС на приемной и компенсационных катушках в воздушной среде составляет только 20,5 мВ, т.е. примерно в 2400 раз меньше при одинаковом числе витков в генераторной и приемной катушках. При этом диапазон измеряемого напряжения не превышает нескольких милливольт, что ограничивает точность контроля магнитной восприимчивости из-за влияния инструментальных погрешностей прибора и воздействия внешних помех.
Задачей полезной модели является создание устройства контроля магнитной восприимчивости среды, позволяющего повысить чувствительность и точность измерения магнитной восприимчивости при бесконтактном опробовании магнетитовых руд, а также снижение энергопотребления данного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве контроля магнитной восприимчивости среды, содержащем генератор синусоидального напряжения, генераторную, две компенсационные и приемную катушки, размещенные параллельно друг другу в одной плоскости и направлены перпендикулярно поверхности исследуемой среды, два усилительно-преобразовательных блока, блок выделения большего сигнала и регистратор, причем генератор синусоидального напряжения подключен к генераторной катушке, приемная катушка включена между общей шиной и первыми объединенными выводами двух компенсационных катушек, вторые выводы которых через соответствующие усилительно-преобразовательные блоки, содержащие последовательно соединенные усилитель переменного напряжения, синхронный детектор и усилитель постоянного тока, подключены к первому и второму входам блока выделения большего сигнала, выход которого подключен к регистратору. К первой, второй компенсационным и приемной катушкам параллельно подключены первый, второй и третий конденсаторы соответственно. Таким образом, образуются три колебательных контура, имеющих одинаковую резонансную частоту, которая устанавливается равной частоте генератора синусоидального напряжения за счет выбора соответствующих емкостей конденсаторов.
Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности устройства определения магнитной восприимчивости при бесконтактном опробовании магнетитовых руд, а также снижение энергопотребления данного устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.
Устройство контроля магнитной восприимчивости среды содержит генератор 1 синусоидального напряжения, к которому подключена генераторная катушка 2, первую компенсационную катушку 3 с первым конденсатором 4, вторую компенсационную катушку 5 со вторым конденсатором 6 и приемную катушку 7 с третьим конденсатором 8. Все катушки конструктивно размещены параллельно друг другу в одной плоскости и направлены перпендикулярно поверхности исследуемой среды. Один вывод обмотки приемной катушки 7 соединен с общей шиной, а другой подключен к объединенным первым выводам первой компенсационной катушки 3 и второй компенсационной катушки 5, которые включены встречно по отношению к приемной катушке 7. Первый 9 и второй 10 усилительно-преобразовательные блоки выполнены по однотипной схеме и содержат усилители переменного напряжения 11 и 12, синхронные детекторы 13, 14 и усилители постоянного тока 15 и 16. Синхронные детекторы 13 и 14 подключены к генератору 1. Вторые выводы компенсационных катушек 3 и 5 подключены соответственно к входам усилителей переменного напряжения 11 и 12, выходы которых через синхронные детекторы 13, 14 и усилители постоянного тока 15 и 16 соединены с первым и вторым входами блока 17 выделения большего сигнала. Выход блока выделения большего сигнала 17 подключен к регистратору 18, который применен для вывода результатов контроля магнитной восприимчивости исследуемой среды.
Устройство контроля магнитной восприимчивости среды работает следующим образом.
P
3
5
7
4
6
8
При протекании тока от генератора 1 синусоидального напряжения по виткам генераторной катушки 2 в окружающем пространстве создается переменное электромагнитное поле. Первая компенсационная катушка 3 с конденсатором 4, вторая компенсационная катушка 5 с конденсатором 6 и приемная катушка 7 с конденсатором 8 образуют три параллельных колебательных контура, частота резонанса f которых с учетом индуктивностей L, L, L катушек 3, 5, 7 и емкостей С, С, C конденсаторов 4, 6 и 8 выбирается равной частоте генератора 1 синусоидального напряжения по условию (см. Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. - М.: Радио и связь, 4-е издание, 1983. - 376 с):
,
3
где L - индуктивность первой компенсационной катушки (Гн);
4
С - емкость первого конденсатора (Ф);
5
L - индуктивность второй компенсационной катушки (Гн);
6
С - емкость второго конденсатора (Ф);
7
L - индуктивность приемной катушки (Гн);
8
С - емкость третьего конденсатора (Ф).
В воздухе при отсутствии магнитной среды это поле индуцирует во встречно включенных приемной катушке 7 и двух компенсационных катушках 3 и 5 одинаковые по амплитуде, но противоположные по фазе ЭДС, которые взаимно компенсируют друг друга.
1
2
1
2
При расположении генераторной, двух компенсационных и приемной катушек над исследуемой средой происходит ее намагничивание переменным электромагнитным полем генераторной катушки 2. Появляющееся вторичное магнитное поле индуцирует в приемной 7 и компенсационных 3 и 5 катушках разные по амплитуде ЭДС. В результате этого на входе усилителя 12 появляется ЭДС Δε, равная разности вторичных ЭДС приемной 7 и первой компенсационной 3 катушки, а на входе усилителя 11 - ЭДС Δε, равная разности вторичных ЭДС приемной 7 и второй компенсационной 5 катушки. Разностные ЭДС Δε и Δε усиливаются усилителями 12, 11 и выпрямляются синхронными детекторами 14 и 13. После фильтрации постоянные или медленно меняющиеся сигналы усиливаются усилителями 16 и 15 и поступают на два входа блока 17 выделения большего сигнала. Этот блок пропускает на вход регистратора 18 только наибольший из сигналов, снимаемых с выходов усилителей 16 и 15. По величине фиксируемого в аналоговой или цифровой форме результата определяется магнитная восприимчивость среды.
Повышение точности в предложенном устройстве обеспечивается за счет использования известных свойств параллельных резонансных контуров:
3
5
7
1) резонансные сопротивления параллельных LC-контуров с большой добротностью Q значительно - в Q раз - превышают индуктивные сопротивления компенсирующих 3, 5 и приемной 7 катушек. При подключении конденсаторов 4, 6 и 8 параллельно этим катушкам на их выходах за счет большого эквивалентного сопротивления можно получать напряжения U, U, U с амплитудой в сотни милливольт даже при сравнительно небольшом переменном токе, протекающем по генераторной катушке 2. В итоге исключается ее дополнительный нагрев собственной рассеиваемой мощностью и снижается температурная погрешность преобразования, а также в десятки раз уменьшается потребляемая мощность всего устройства;
2) увеличение амплитуды сигналов на компенсационных и приемном контурах на частоте их резонанса позволяет использовать усилители 11 и 12 с небольшими коэффициентами усиления и формировать на входах синхронных детекторов 13 и 14 напряжения порядка единиц вольт, что позволяет уменьшить влияние инструментальных погрешностей синхронных детекторов и усилителей постоянного тока 15 и 16 на точность измерения;
3) при сравнительно большой амплитуде сигналов на выходах компенсационных и приемного контуров уменьшается относительное влияние внешних наводок и помех, и тем самым уменьшается случайная погрешность преобразования при относительно небольшом усложнении схемы.
Для оценки эффективности предложенного технического решения было проведено моделирование устройства на ПЭВМ в программе Electronics Workbench Pro, в результате которого установлено следующее:
1
1
34
1) при подаче на генераторную катушку переменного напряжения с амплитудой U=10 В и частотой f=1 кГц изменение индуктивности одной из компенсационных катушек на 10% относительно начального значения L=0,1 Гн приводит к появлению разностного напряжения ΔU≈2,28 мВ;
36K
p
34K
34
2) при подключении конденсаторов с одинаковой емкостью С=200 нФ параллельно компенсационным катушкам изменение индуктивности одной из них на 10% изменяет разностное напряжение на ΔU≈802 мВ на частоте резонанса этих контуров f=1 кГц при входных сопротивлениях усилителей переменного тока, составляющих 100 кОм, т.е. амплитуда измеряемого сигнала увеличивается в K=ΔU/ΔU=802/2,28≈350 раз.
Следовательно, применение резонансного режима работы приемного и компенсационных контуров позволяет практически в сотни раз повысить чувствительность устройства к изменению электромагнитного поля и дает возможность, например, уменьшить на порядок амплитуду тока в генераторной обмотке, понизив тем самым в 100 раз его мощность энергопотребления, и одновременно увеличить более чем в 30 раз чувствительность устройства при уменьшении относительной погрешности преобразования.
Промышленная применимость полезной модели обусловлена тем, что она может быть осуществлена с помощью современной элементной базы, с достижением указанного назначения.