Комплекс лабораторных эталонов однородных магнитных полей и способ их автономной калибровки
SET OF LABORATORY STANDARDS OF HOMOGENEOUS MAGNETIC FIELDS AND A METHOD FOR AUTONOMOUS CALIBRATION THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к области магнитных измерений.
Целью предлагаемого изобретения является создание комплекса лабораторных эталонов однородных магнитных полей в виде серии аналогичных устройств для создания слабых, средних и сильных однородных магнитных полей в небольших объемах порядка долей литра с гарантированной однородностью не хуже 0,1%.
Аналогом предполагаемого изобретения являются государственные эталоны магнитного поля.
-3
Первый госэталон, см. Штамбергер Г.А. "Устройства для создания слабых постоянных магнитных полей". Новосибирск 1972. Сибнаука, с. 14-15. Он состоит из двух соосных систем катушек Гельмгельца, изготовленных на пирексовых каркасах и смонтированных на специальном поворотном столе из немагнитного металла. Углы поворота катушек контролируются под микроскопом. Уровень создаваемых магнитных полей единицы гаусс. Однородность магнитного поля 10%.
-5
Второй госэталон, см. Физический энциклопедический словарь, М. 1984, с. 906, конструктивно представляет собой соленоид на кварцевом каркасе, снабжен системой компенсации магнитного поля Земли. Диапазон воспроизводимых магнитных полей 0,5-5 Гс. Однородность магнитного поля 10%.
Эти эталоны питаются сложным комплексом источников питания и предназначены для сугубо академических исследований.
Известны последние патенты на устройства для магнитометрических исследований:
US 6130534 - метод калибровки трехмерного магнитометра,
RU 138023 - устройство для калибровки трехмерного магнитометра,
CN 1030640040 - трехмерный магнитометр с фазовым синхронизатором.
Это те же сложные устройства для точных измерений трехмерных магнитных полей сравнимые с госэталонами, поэтому непригодны для лабораторных технологических измерений, к сожалению.
Прототипом предлагаемого изобретения является магнитная система микротрона, см. Капица С.П., Мелехин В.Н. "Наука" М. 1969, с. 107-115. Магнитная система микротрона - это система двух идентичных катушек на своих полюсах, параллельных друг другу и смонтированных на внешнем магнитопроводе. Рабочее магнитное поле между полюсами не менее 1000 Гс с точностью не хуже 0,1%.
Однако, микротрон работает при глубоком вакууме между полюсами, полюса не предназначены для загрузки проб для обработки магнитным полем. Его применение в качестве лабораторного эталона нерентабельно.
В кандидатских диссертациях по предпосевной магнитной обработке семян/ПМОС/ в качестве технологических устройств представлены: соленоиды, статеры трехфазных электродвигателей и даже электромагниты с явно неоднородными магнитными полями. Такие устройства создают достаточно сильные магнитные поля, сотни гаус в максимуме и единицы гаусс в минимуме. Семена при ПМОС проходят по разным траекториям, получают разные дозы воздействия и результаты экспериментов получаются невоспроизводимыми. Урожайность пшеницы колеблется от 5 до 35%. Этим агрономам-энтузиастам нужно помочь созданием систем лабораторных эталонов с однородными магнитными полями.
Автор-заявитель исходит из научной гипотезы об индукционном воздействии магнитного поля на семена. Действительно, семена диамагнитны и сами по себе на магнитное поле не реагируют. Индукционный прогрев семян обусловлен дозой /величиной, длительностью/ воздействия переменного во времени магнитного поля. При удачном подборе которой будет получаться оптимальный эффект ПМОС. Для этого нужно устройство по предлагаемому изобретению.
Автор-заявитель в этом вегетационном сезоне ведет эксперимент: тыквы, огурцы, дыни, арбузы. В стадии рассады все омагниченные семена дали всходы раньше неомагниченных контрольных на 2-3 дня раньше. Развитие растений из омагниченных семян идет заметно быстрее, за один и тот же период времени у них больше листьев, раньше появляются цветки и плодовые завязи. Причем заметна разница в зависимости от дозы магнитного воздействия. Итоговые результаты по урожайности будут в августе-сентябре.
Комплекс проблем составит аттестация изготовленного электромагнита и контроль его действия. Известен десяток разных способов измерения магнитного поля. Советская промышленность производила лишь тесламетры типа: Ф 4354, Ф4355, Ф4356; с. 484-485. Действие этих приборов основано на эффекте Холла: возникновение эдс в полупроводниках помещенных в магнитное поле при пропускании через них тока. Это электроны отклоняются поперечным внешним магнитным полем. Конструктивно датчик Холла представляет собой бросочек полупроводника, к которому с противоположных сторон подводится электрический ток, а в поперечном направлении возникает эдс пропорциональная величине магнитного поля. В целом это четырехжильный кабель, который нужно завести в исследуемое магнитное поле, да еще и просканировать по заданной траектории.
Диапазон измеряемых величин магнитных полей 100-10000 Гс при точности показаний 2,5-10%. Также приборы годятся только для предварительных измерений, но не для эталонных.
В качестве примера предполагаемое изобретение представлено на чертежах: фиг. 1; 2; 3; 4.
Фиг. 1 - вид устройства сверху.
Фиг. 2 - вид устройства в диаметральном сечении.
Фиг. 3 - диаметральное распределение магнитного поля создаваемого круговой катушкой.
Фиг.  4 - устройство измерительной катушки.
Устройство содержит круговую катушку прямоугольного сечения 1 на жестком диэлектрическом каркасе 2, которая помещена во внешний броневой магнитопровод 3, который состоит из цилиндра 4 и двух соразмерных фланцев: верхнего 5 и нижнего 6, которые соединяются винтами 7. Противостоящие плоскости фланцев параллельны и внутри катушки 1 являются полюсами магнитопровода. На нижнем полюсе лежит диэлектрический вкладыш 8, к которому диэлектрической шпилькой 9 жестко крепится измерительная катушка 10, представленная на фиг. 4. Через сквозные отверстия в нижнем фланце 6 проходят концы катушки 1 и измерительной катушки 10. Магнитопровод набран из пластин электротехнической стали, как показано на фиг. 2. Цилиндр 4 - это часть статора трехфазного асинхронного электродвигателя. А фланцы из пластин трансформатора, скрепленных тонкими заклепками.
Действует устройство следующим образом.
Каждый виток круговой катушки создает магнитное поле, величина которого в центре витка определяется формулой Лапласа, см. Савельев И.В. Курс общей физики. Наука. М. 1970, т. 2, с. 129.
где i ток в витке,
r радиус витка.
Совместное действие множества витков катушки 1 создает в центре магнитное поле, см, Карасик В.Р. “Физика и техника сильных магнитных полей” Наука. М. 1964, с. 10.
где j - плотность тока в катушке,
λ - плотность обмотки,
i
x - половина длины катушки,
1
y - внутренний радиус катушки,
2
y - внешний радиус катушки.
Техническая реальность такова, что в одновитковой катушке можно создавать магнитное поле величиною единицы, а во многовитковой тысчи гаусс.
Для экспериментальной проверки предполагаемого изобретения были изготовлены три катушки под единый магнитопровод, но каждая в своем диэлектрическом каркасе.
Одновитковый круговой контур монтировался по медианной плоскости магнитопровода. Он предназначался для создания, слабых магнитных полей.
Катушка квадратного сечения предназначалась для создания средних магнитных полей. Для создания сильных магнитных полей предназначалась прямоугольная катушка. Естественно при этом уменьшался объем рабочего магнитного поля.
Внутренний диаметр магнитопровода 80 мм, межполюсный зазор 15 мм. Все катушки намотаны проводом диаметром 1,3 мм из меди. Квадратная катушка 50, а прямоугольная 150 витков.
Экспериментальное исследование структуры, магнитных полей в этих разных катушках проводилось по схеме, показанной на фиг. 5. Все три катушки включались последовательно и через амперметр ACT в режиме до 10 А подключались к понижающей обмотке трансформатора ОСМ 1,0 который через магнитный пускатель первой величины с кнопочным управлением "Пуск-Стоп" питался через ЛАТР-1.0 от сети 220 В.
Датчиком магнитного поля служила индукционная измерительная катушка диаметром 5 мм, 50 витков проводом ПЭЛ 008 мм, эдс которой измерялась вольтметром В3-55, с которого сигнал подавался на осциллограф С1-55. Измерения приводились при токе в обмотках 2 А.
Сначала исследовались катушки без магнитопровода.
Согласно теории электромагнетизма каждый элемент катушки при протекании электрического тока в нем охвачен самозамкнутым контуром магнитной линии. На фиг. 3 они показаны прерывистыми кругами со стрелками. Совместное действие всех магнитных линий в конкретной точке пространства создает результирующее магнитное поле. Для центров катушек оно рассчитывается по формулам 1 или 2.
Распределение магнитного поля в медианной плоскости катушки, т.е. по оси У показано параболической линией с минимумом на оси Х, т.е. оси симметрии катушки. При перемещении от центра к периферии уровень магнитного поля возрастает.
Снаружи катушки магнитное поле есть, но оно быстро убывает.
На фиг. 6, 7, 8 представлены структуры магнитных полей во всех трех катушках: одновитковой, квадратной и прямоугольной.
На фиг. 9 зависимость магнитного поля в катушке от величины протекающего тока представлена линией исходящей из начала координат под углом .
Вольтметр В3-55 на самом чувствительном диапазоне 0-1 милливольт не работал, поэтому графики представлены пунктиром.
Перемещение катушек во внешний магнитопровод привело к трехкратному увеличению уровня магнитного поля и оно стало однородным, т.е. равновеликим для всех радиусов межполюсного пространства. Это произошло за счет перемещения линий магнитного поля в магнитопровод, они стали короче. Второй фактор увеличения магнитного поля - это увеличение магнитной проницаемости материала магнитопровода. Для электротехнической стали она самая высокая из всех сталей.
Зависимость магнитного поля катушек, помещенных во внешний магнитопровод, представлена на фиг. 9 линией, исходящей из начала координат под углом . Это значит, магнитопровод трехкратно повышает эффективность питания электромагнита.
3
На фиг. 11 представлена фотография лабораторного эталона магнитного поля с прямоугольной катушкой с диаметром полюсов 22 мм при межполюсном зазоре 15 мм, рабочий объем 4,7 см. При нормативно-допустимом токе в обмотке 4 А магнитное поле 750 Гс.
Ведется эксперимент агрономический с омагниченными семенами: тыквы, огурцов, дыни и арбузов. Растения омагниченных семян развиваются активнее неомагниченных контрольных. Ведется поиск оптимального режима предпосевной магнитной обработки семян.
В текущем сезоне еще можно омагнитить семена пшеницы и посеять в грунт на урожай.
Автономная калибровка эталонов производится в два этажа. Сначала рассчитывается уровень магнитного поля от тока возбуждения катушки эталона для его центра и строится график для предполагаемых режимов работы. Это значит определяется угол наклона этой линейной зависимости в координатах: электрический ток, магнитное поле, фиг. 9, угол
Под определенные уровни магнитного поля рассчитывается и изготовляется измерительная катушка известного типа, эдс которой определяется формулой, см. Электротехнический справочник МЭИ, Энергоиздат, 1981 с. 77.
где ƒ - частота переменного магнит поля,
Н - амплитуда переменного магнитного шля,
S - площадь витка измерительной катушки,
n - количество витков измерительной катушки.
В конечном виде получают прямую зависимость эдс от величины измеряемого магнитного поля. От деликатности изготовления этой измерительной катушки зависит точность всех последующих измерений.
Аттестованная таким образом измерительная катушка вставляется в межполюсной зазор эталона и по показаниям ее эдс строится экспериментальная зависимость магнитного поля в эталоне от тока возбуждения в его катушке. Эта значит, до фиг. 9 определить угол .
К сожалению в БСЭ нет статьи по измерительной катушке…
Экспериментальное исследование и опытная эксплуатация предполагаемого изобретения показали необходимость некоторых усовершенствований:
1. Обмотки надо изготовить из прямоугольной проволоки или ленты, чтобы увеличить плотность обмотки λ в формуле 2 и тем самым поднять уровень магнитного поля в эталоне.
2. Простую измерительную катушку надо заменить индукционным датчикам радиального распределения магнитного поля RU 2567398, тогда не нужно будет сканировать измерительную катушку.
Общий итог настающей заявки на предполагаемое изобретение состоит в следующем.
Устройство позволяет создавать магнитные поля эталонной точности не хуже 0,1%, которая гарантируется удачной конструкцией магнитопровода.
Устройство пригодно для создания больших объемов магнитных полей высокой однородности с высоким эффективным использованием электрической энергии.
Устройство пригодно для применения в точных технологических процессах.
Устройство калибруется автономно, что очень важно для периферийных центров.