УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
DEVICE TO MEASURE WEAK MAGNETIC FIELDS DEVELOPED BY ELECTRIC CURRENT

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть применено для измерения напряженности слабых магнитных полей, создаваемых электрическими токами.
Аналогом предлагаемого изобретения является измерение с применением измерительной катушки для исследования магнитного поля соленоида (см. Под ред. Ивероновой В.И., М.: изд-во “Наука”, 1968, стр.118-122).
Прототипом изобретения является способ измерения по заявке №2009136787/28 (052027) “Измерительная кольцевая катушка”, по которой принято экспертизой решение о выдаче патента на изобретение, см. письмо Апостоловой М.В. от 02.10.10, отдел 60.
Сущность измерений по аналогу и прототипу состоит в использовании физического явления электромагнитной индукции, которое математически определяется вторым уравнением Максвелла
, которое физически гласит, что переменное во времени магнитное поле с индукцией
создает в совмещенном пространстве (xyzt) вихревое электрическое поле
.
<mrow><mi>e</mi><mo>=</mo><mi>n</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>Ф</mi></mrow><mrow><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
Для магнитного поля, создаваемого электрическим током, это уравнение вырождается в дифференциальное уравнение
,
которое преобразуется в расчетную формулу
e=4,44nfSB,
где е - действующее значение электродвижущей силы на выводах измерительной катушки,
n - число витков измерительной катушки,
f - частота синусоидального значения магнитного потока Ф с магнитной индукцией В,
S - площадь измерительной катушки
(см. Фремке А.В. и Душин Е.М. “Электрические измерения”, Л., “Энергия”, 1980, стр.65, 267-268; Токарев Б.Ф. “Электрические машины”. М., “Атомиздат”, 1990, стр.162).
В известных способах и устройствах для измерения магнитных полей используют измерительную катушку в качестве датчика исследуемого магнитного поля, которую подключают ко вторичному прибору, который предназначен для измерения эдс.
Известно, что при измерениях в неоднородных магнитных полях для повышения достоверности измерений необходимо использовать измерительные катушки минимальных размеров и соответственно ограниченного количества витков для характеристики поля в данной точке исследуемого пространства, т.е. центре измерительной катушки. Поэтому известные способы и устройства измерения становятся непригодными для измерения слабых магнитных полей, потому что и чувствительность вторичных приборов тоже ограничена своими техническими параметрами.
Таким образом, известные способы и устройства не позволяют измерять и соответственно исследовать слабые неоднородные магнитные поля.
Отмеченный недостаток устраняется предлагаемым изобретением. Оно состоит в повышении частоты синусоидально изменяющегося магнитного потока. Технически это возможно повысить на 2-3 порядка и соответственно повысится уровень сигнала с измерительной катушки. В принципе, частоту можно поднять еще выше, но не всегда можно согласовать высокочастотный генератор с исследуемой нагрузкой.
Вторым фактором повышения чувствительности измерений является усиление электродвижущей силы измерительной катушки с помощью электронного усилителя на 2-3 порядка.
В итоге предлагаемое изобретение позволяет повысить чувствительность измерений слабых магнитных полей на 4-6 порядков. Это, в свою очередь, позволит надежно исследовать слабые неоднородные магнитные поля.
В качестве примера предлагается схема для исследования структуры магнитного поля кругового витка с током, фиг.1. Круговой виток является конструктивным элементом колец Гельмгольца, которые являются стандартным прибором для магнитных измерений.
Поле на оси кругового витка с током является неоднородным и выражается формулой (см. Савельев И.В. “Курс общей физики”, т.2, М., “Наука”, 1970, стр.134)
,
0
-7
где µ=4·10 Гн - магнитная постоянная,
R - радиус витка с током i,
z - координата на оси витка.
<mrow><mi>B</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>n</mi><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>0,1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>8</mn></mrow></msup><mtext> Т</mtext><mi>л</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mtext> </mtext><mi>Г</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow>
Если положить i=1a, R=0,1 м, z=0, то поле в центре витка будет
-4
2
Если измерительная катушка имеет параметры n=10 вит, S=10 м и f=50 Гц, то амплитуда ЭДС на измерительной катушке будет
-4
-8
-8
e=4,44·10·50·10·2n10=1,39·10 вольт.
Это - максимальное значение измеряемой величины, а по мере удаления от центра исследуемого витка с током оно будет многократно уменьшаться.
Автор, используя известный способ измерения, применил ток, равный 100 А при частоте 50 Гц и измерительной катушке с 100 витками.
Гальванометр, включенный через диодный мост, давал плывущие показания, потому что провод витка нагревался до каления и ток в витке менялся.
На фиг.1 цифрами обозначены:
1 - высокочастотный генератор,
2 - круговой виток с током,
3 - измерительная катушка,
4 - электронный усилитель переменного тока,
5 - вторичный измерительный прибор.
Действует схема предлагаемого изобретения следующим образом. Высокочастотный генератор 1, питая круговой виток током высокой частоты, возбуждает вокруг витка переменное магнитное поле высокой частоты, которое индуцирует в измерительной катушке 3 ЭДС высокой частоты, которая усиливается электронным усилителем 4 и подается на вторичный измерительный прибор 5. Сопоставляя измеренные величины ЭДС с координатами измерительной катушки, строят график зависимости поля на оси витка с током.
-2
При увеличении частоты питающего тока на три порядка и усилении ЭДС измерительной катушки еще на три порядка при сохранении прежних параметров измерительной катушки измеряемая вторичным прибором ЭДС увеличится на шесть порядков и составит 1,39·10 вольт.
Это вполне измеряемая величина напряжения с помощью типовых приборов.
Автор готовит лабораторную установку для экспериментальных исследований предлагаемого изобретения.