СИСТЕМА КАТУШЕК ДЛЯ ВИБРАЦИОННОГО МАГНИТОМЕТРА
SYSTEM OF COILS FOR VIBRATION MAGNETOMETER

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и может быть использовано при исследовании магнитных свойств веществ и материалов в следующих областях: физика магнитных явлений, геофизика.
Вибрационные магнитометры - это приборы, предназначенные для измерения магнитного момента образцов разнообразных материалов. Принцип действия вибрационного магнитометра основан на индукционном методе измерения магнитных моментов. Система катушек для вибрационного магнитометра представляет собой входную измерительную цепь магнитометра и служит для регистрации переменного магнитного потока, создаваемого колеблющимся магнитным моментом исследуемых образцов.
Известна система катушек для вибрационного магнитометра [Патент GB 2265013 (А) от 15.09.1993 г. "Coil system for vibrating sample magnetometer", МПК G01R 33/12, авт. Lindsay Molyneux], содержащая соединенные встречно-последовательно измерительные катушки, которые выполнены печатным способом. В данной конструкции не предусмотрена возможность балансировки измерительных катушек, значит, нельзя избавиться от паразитного сигнала, вызванного вариациями намагничивающего поля, что ограничивает чувствительность магнитометра.
Также известны несколько различных систем катушек для вибрационного магнитометра [Патент US 3496459 (А) от 17.02.1970 г. "Vibrating sample magnetometers", МПК G01R 33/12, авт. Simon Foner], содержащих соединенные встречно-последовательно многовитковые проволочные измерительные катушки. В данных конструкциях измерительные катушки изготавливаются попарно идентичными, но возможность балансировки измерительных катушек не предусмотрена, следовательно, нельзя избавиться от паразитного сигнала, вызванного вариациями намагничивающего поля вкупе с незначительной асимметрией, присущей любой конструкции, что ухудшает чувствительность магнитометра.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция системы катушек вибрационного магнитометра, раскрытая в следующем источнике [Великанов Д.А., Юркин Г.Ю. Повышение точности прямых измерений на вибрационном магнитометре. Вестник Красноярского государственного университета (Физико-математические науки), 2006, №9, стр. 48-53]. Система состоит из двух идентичных измерительных катушек, намотанных изолированным проводом диаметром 0,063 мм на прямоугольные каркасы и содержащих по 2800 витков. Катушки включены встречно-последовательно. Источником намагничивающего поля служит лабораторный электромагнит типа ФЛ-1. Катушки жестко крепятся к полюсным наконечникам электромагнита, при этом плоскости витков катушек параллельны намагничивающему полю.
Недостатком прототипа, как и в предыдущих примерах, является отсутствие балансировки измерительных катушек и, как следствие, невозможность избавиться от паразитного сигнала, обусловленного вариациями намагничивающего поля.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности вибрационного магнитометра за счет полного подавления в системе катушек паразитного сигнала от вариаций намагничивающего поля.
Технический результат достигается тем, что в системе катушек для вибрационного магнитометра, содержащей многовитковые измерительные катушки, новым является то, что она содержит по меньшей мере одну зафиксированную неподвижно относительно источника намагничивающего поля дополнительную катушку, плоскость витков которой перпендикулярна силовым линиям намагничивающего поля, причем дополнительная катушка включена последовательно с измерительными катушками, параллельно дополнительной катушке подключен потенциометр, а напряжение с системы катушек снимается между подвижным отводным контактом потенциометра и свободным концом измерительной катушки.
Сущность изобретения поясняется с помощью графических материалов. На фиг. 1 показано расположение катушек относительно источника намагничивающего поля. На фиг. 2 представлена электрическая схема системы катушек для вибрационного магнитометра. На фиг. 3 показан альтернативный вариант выполнения системы катушек для вибрационного магнитометра.
Намагничивающее поле H создается источником, в частности электромагнитом с полюсными наконечниками 1, 2 (фиг. 1). Система катушек для вибрационного магнитометра состоит из идентичных многовитковых измерительных катушек 3, 4, расположенных симметрично между полюсными наконечниками, и дополнительной катушки 5. Все катушки жестко зафиксированы относительно источника поля. Плоскости витков катушек 3, 4 параллельны силовым линиям намагничивающего поля Н, а плоскость витков катушки 5 перпендикулярна силовым линиям поля Н.
Исследуемый образец 6 колеблется перпендикулярно намагничивающему полю H по центру между катушками 3, 4. Движение образцу передается от вибратора посредством штока (не показаны). Магнитный момент m образца, индуцированный намагничивающим полем, ориентирован, как правило, вдоль направления силовых линий поля Н.
Катушки 3, 4 соединены встречно-последовательно (см. фиг. 2), последовательно с ними включена катушка 5, параллельно которой подключен потенциометр 7. Потенциометр 7 подвижным отводным контактом подключен к входу электронного блока 8. Также к входу электронного блока 8 подключена свободным концом катушка 3.
Осциллирующий магнитный момент m диполя образца индуцирует переменное электромагнитное поле, которое наводит в катушках 3, 4 электродвижущие силы (ЭДС) противоположных знаков. Благодаря встречному включению катушек 3, 4 наводимые в них сигналы от образца 6 складываются, а сигналы от вариаций магнитного поля и внешние помехи компенсируются. Такая схема соединения измерительных катушек позволяет достаточно эффективно выделить полезный сигнал от образца и минимизировать паразитные сигналы от внешних полей.
Тем не менее, вследствие незначительной неточности ориентации и асимметрии, присущей на практике любой конструкции, наводимые в измерительных катушках 3, 4 ЭДС от вариаций намагничивающего поля H компенсируют друг друга не полностью. В известных вибрационных магнитометрах это является существенным ограничивающим фактором, который не позволяет достигнуть максимальной чувствительности прибора.
Как известно, при последовательном соединении индуктивных катушек наводимые в них ЭДС складываются. Введение в схему дополнительной катушки 5 и потенциометра 7 позволяет полностью скомпенсировать суммарную паразитную ЭДС, которая наводится в системе катушек 3, 4, 5 от вариаций намагничивающего поля. Действительно, при надлежащем выборе полярности включения катушки 5 паразитная ЭДС, которая наводится в ней, находится в противофазе с суммарной паразитной ЭДС, индуцируемой в катушках 3, 4. Амплитуда паразитного напряжения между точкой электрического соединения катушек 4, 5 и подвижным отводным контактом потенциометра 7 зависит от положения последнего. При равенстве этой амплитуды амплитуде суммарной паразитной ЭДС, индуцируемой в последовательно соединенных измерительных катушках 3, 4, на выходе всей системы, т.е. между подвижным отводным контактом потенциометра 7 и свободным концом катушки 3, общее паразитное напряжение равно нулю.
Балансировка системы катушек для вибрационного магнитометра выполняется следующим образом. Производится модуляция намагничивающего поля. При этом наблюдается усиленный электронным блоком 8 сигнал от системы катушек в виде переменного напряжения с частотой модуляции. Регулировкой потенциометра 7 добиваются уменьшения до нуля переменного напряжения. По необходимости изменяют полярность включения дополнительной катушки 5.
2
Для примера (см. фиг. 1), в качестве источника намагничивающего поля задействован лабораторный электромагнит типа ФЛ-1. Диаметр полюсных наконечников 1, 2 составляет 60 мм, зазор между полюсами - 40 мм. Катушки 3, 4 размещаются в центральной части полюсных наконечников электромагнита. Катушки намотаны на диэлектрические каркасы, имеющие в сечении форму прямоугольника 10×16 мм и высоту 28 мм. Каждая катушка содержит 2800 витков медного провода марки ПЭТВ-2 диаметром 0,063 мм. Катушка 5 имеет диаметр 55 мм и содержит всего один виток провода марки ПЭЛШО диаметром 0,2 мм. В качестве потенциометра 7 использован многооборотный проволочный подстроечный резистор типа СП5-3В-1 кОм-5%.
При балансировке системы катушек модуляция намагничивающего поля осуществлялась подключением обмотки электромагнита ФЛ-1 к источнику переменного напряжения 220 вольт, 50 герц.
2
Иным вариантом выполнения системы катушек для вибрационного магнитометра может быть конфигурация, изображенная на фиг. 3. В качестве источника намагничивающего поля используется электромагнит конструкции И.M. Пузея. Диаметр полюсных наконечников электромагнита составляет 120 мм, а зазор между полюсами равен 60 мм. Система катушек для вибрационного магнитометра состоит из четырех измерительных катушек 3, 4, 3′, 4′ (см., например, [Великанов Д.А. Автоматизированный вибрационный магнитометр с электромагнитом конструкции Пузея. Вестник СибТАУ, 2014, №1 (53), стр. 147-154]) и дополнительной катушки 5. Плоскости витков всех катушек перпендикулярны силовым линиям намагничивающего поля H и параллельны направлению колебаний образца 6. Измерительные катушки 3, 4, 3′, 4′ намотаны на каркасы из органического стекла, которые имеют в сечении форму квадрата 14×14 мм и высоту 10 мм. Расстояние между центрами смежных катушек составляет 20 мм, а между противоположными катушками - 12 мм. Каждая из измерительных катушек содержит 8000 витков медного провода марки ПЭВ-1 диаметром 0,05 мм в эмалевой изоляции. Дополнительная катушка 5 имеет диаметр 60 мм и содержит 80 витков провода марки ПЭТВ-2 диаметром 0,1 мм. Электрически измерительные катушки 3, 4, 3′, 4′ соединены между собой встречно-последовательно, последовательно им подсоединена дополнительная катушка 5, параллельно которой подключен потенциометр.
Как видно, заявляемое техническое решение обладает следующими преимуществами:
- наличием возможности балансировки системы измерительных катушек;
- подавлением паразитного сигнала, вызванного вариациями намагничивающего поля;
- снижением шума;
-повышением (улучшением) чувствительности вибрационного магнитометра.