УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
MAGNETIC FIELD MEASURING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для магнитных измерений и может быть использовано для пространственной диагностики поля преимущественно в малых объемах между элементами магнитопровода магнитной цепи, например, в рабочих зазорах, щелях, в частности - в малых объемах сложной формы между смежными взаимно контактирующими шарами в намагничиваемой гранулированной среде, используемой в качестве рабочих матриц магнитных сепараторов фильтрационного типа, и пр.
Из уровня техники известны устройства [патент RU 2098807 С1, дата публикации: 10.12.1997; патент RU 2680863 С1, дата публикации: 28.02.2019], в которых для измерений магнитной индукции поля используется датчик Холла, в том числе с применением приспособлений, обеспечивающих пошаговое перемещение датчика в задаваемом направлении диагностируемого пространства [патент RU 2680863 С1, дата публикации: 28.02.2019; Сандуляк А.В. и др. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: 3D-оценка рабочих зон / Приборы, 2017, №10, с. 4-7] - для получения, в частности, той или иной координатной зависимости индукции.
Однако, будучи применимыми для решения широкого круга задач пространственной диагностики индукции поля в объемах, размеры которых превышают собственные размеры датчика Холла, вместе с тем, эти датчики неприменимы для такой диагностики поля в объемах, размеры которых меньше собственных размеров датчика.
Известно устройство [авторское свидетельство SU 1397862 А1, дата публикации: 23.05.1988], рекомендуемое к использованию при измерениях магнитной индукции, содержит блок пространственно рассредоточенных датчиков Холла, что дает возможность соответствующей диагностики поля - по данным каждого из датчиков этого блока.
Но при фактически повышенных размерах блока датчиков (по сравнению с одним датчиком) функциональные возможности этого и подобных ему устройств для проведения измерений в малых объемах еще более ограничиваются.
Известны [авторское свидетельство SU 313182 А1, дата публикации: 31.08.1971; авторское свидетельство SU 479060 А1, дата публикации: 30.07.1975], содержащие датчики в виде перемещаемых токопроводящих катушек, подключаемых, в частности, к милливеберметру, баллистическому гальванометру.
Позволяя осуществлять необходимую диагностику поля (перемещением датчика и проведением пошаговых измерений), тем не менее, эти устройства с присущими им сравнительно большими размерами применяемых датчиков-катушек не дают возможности их использовать для проведения измерений в малых объемах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство, описанное в публикации [Сандуляк А.В. и др. К вопросу о модели поканалъного намагничивания гранулированной среды (с радиальным профилем проницаемости квазисплошного канала) / Журнал технической физики, 2009, Т.79, №5, с. 140-142]. Данное устройство предназначено преимущественно для диагностики магнитных потоков в различных сечениях внутри малых по размерам объемов (между элементами магнитопровода магнитной цепи) и получило применение, в частности, для измерений магнитных потоков в малых объемах такой сложной формы как щелевые зоны между контактирующими шарами намагничиваемой цепочки шаров (являющейся структурным элементом гранулированной среды). В этом устройстве измерительный датчик магнитного потока, располагаемый именно в зоне малых размеров между такими элементами магнитопровода магнитной цепи как смежные шары в намагничиваемой гранулированной среде, выполнен в виде блока токопроводящих, подключаемых к микровеберметру, круговых концентричных петель. При этом блок петель располагается в плоскости симметрии межшаровой щелевой зоны вокруг точки контакта смежных шаров, а петли подключаются к микровеберметру поочередно.
Однако указанное устройство недостаточно технологично. Это выражается в повышенной сложности обеспечения ряда необходимых требований, в числе которых: строгая форма датчиков - в виде петель плоской и правильной окружности (что особенно трудно реализовать при вынужденном использовании провода малого диаметра, когда решается задача «проникновения» вглубь межшаровой зоны, утоняющейся по мере приближения к точке контакта шаров), строгая концентричность петель, оперативное позиционирование блока петель (строго в плоскости симметрии межшаровой зоны и с центровкой в точке контакта шаров). К тому же, о недостаточной технологичности устройства (обусловливающей трудоемкость, недостаточную оперативность выполнения измерений и возможное нарушение идентичности исходных для этого условий) свидетельствует также процедура поочередного использования (с соответствующим подключением к микровеберметру) каждой из петель. Так, при этом для исключения погрешности измерений необходимо каждый раз выполнять операцию по размагничиванию изучаемой цепочки шаров, например, затухающим переменным полем - для устранения ее остаточной намагниченности, проявляющейся после выполнения каждого измерения с использованием той или иной петли.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении технологичности измерительного устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения магнитного поля, в котором измерительный датчик магнитного потока, располагаемый в зоне малых размеров между такими элементами магнитопровода магнитной цепи как смежные шары в намагничиваемой гранулированной среде, выполнен в виде блока токопроводящих, подключаемых к микровеберметру, круговых концентричных петель, блок петель выполнен в виде блока контуров на плоской печатной плате, с подключением каждого из контуров к многоканальной системе сбора данных, обеспечивающей возможность одновременного получения данных от всех контуров, и последующим выводом на блок их отображения.
Тем самым, вместо трудоемких в исполнении петель используются контуры, выполняемые на плоской печатной плате - весьма тонкой (для обеспечения возможности «проникновения» вглубь межшаровой зоны, утоняющейся по мере приближения к точке контакта шаров). При этом сами контуры, которые в указанном (и сравнительно несложном варианте исполнения блока пространственно распределенных, концентричных токопроводящих контуров) в достаточной мере соответствуют задаваемой форме окружностей. К тому же, обеспечивается возможность одновременного (вместо поочередного, с дополнительными операциями размагничивания) получения данных от всех контуров (за счет их подключения к многоканальной системе сбора данных - с последующим выводом на блок отображения этих данных).
Для обеспечения взаимного контакта шаров и необходимого оперативного позиционирования блока круговых контуров, например, в плоскости симметрии межшаровой зоны, печатная плата в центре этого блока изготовлена с отверстием, диаметр d0 которого определяется из условия:
где δ - толщина рабочей печатной платы, D - диаметр шара.
На практике одним из решений в создании многоканальной системы сбора данных (разумеется, обеспечивающей одновременный захват данных на всех каналах и тем самым устраняющей необходимость многократного размагничивания диагностируемого объекта, что существенно уменьшает трудоемкость измерений, повышает оперативность получения информации и исключает возможность нарушения идентичности исходных условий для каждого измерения) может быть следующий вариант исполнения этой системы. В ней получаемые от каждого из контуров данные поступают в соответствующие измерительные преобразователи, после чего данные преобразуются в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе, а затем с помощью микроконтроллера по заранее заданному алгоритму передаются на блок их отображения. При этом в измерительном преобразователе входящий в него интегратор может быть построен на операционном усилителе, охваченном отрицательной обратной связью через конденсатор и резисторы. Что касается блока отображения данных, то он в принципе может быть ограничен наличием персонального компьютера, хотя для предварительной оценки параметров диагностируемого поля целесообразно (по усмотрению оператора) дополнительно предусмотреть блок индикации.
На фиг. 1 применительно к конкретному, часто востребованному, случаю диагностики магнитного поля в зоне между намагничиваемыми шарами 1 (в поле рабочей напряженностью Н, например, создаваемой соленоидом) показана схема предлагаемого устройства. Оно состоит из выполненного на плоской печатной плате (весьма тонкой - для «проникновения» вглубь межшаровой зоны, утоняющейся по мере приближения к точке контакта шаров) датчика в виде концентричных контуров-окружностей 2, имеющих индивидуальные проводные выводы, которые подключены к многоканальной системе сбора данных. В одном из вариантов этой системы она включает в себя измерительные преобразователи 3, аналого-цифровой преобразователь 4 и микроконтроллер 5. Получаемые данные выводятся на блок их отображения, состоящий из персонального компьютера 6 и (возможно) блока индикации 7.
Устройство работает следующим образом. Выполненный на плоской тонкой печатной плате блок контуров, благодаря наличию центрального отверстия в печатной плате (диаметр которого, обеспечивающий сохранение контакта шаров и самофиксацию блока контуров, соответствует оговоренному выше условию) оперативно позиционируют в плоскости симметрии зоны между намагничиваемыми шарами 1, а проводные выводы каждого из контуров 2 соединяют с измерительными преобразователями 3, входящими в многоканальную систему сбора данных. При включении магнитного поля, осуществляющего намагничивание цепочки шаров, в контурах 2 наводится ЭДС и соответствующие сигналы (о магнитных потоках сквозь разные контуры, охватывающие разные по площади участки диагностируемой зоны) сначала поступают в эти измерительные преобразователи 3, выполняющие интегрирование сигналов и их нормирование к входному диапазону аналого-цифрового преобразователя 4, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который затем принимается микроконтроллером 5 (пакетом данных, с сохранением в памяти) по заданному алгоритму. При этом схема преобразования аналогового сигнала в цифровой код, в состав которой входят устройства выборки и хранения, схемы синхронизации и выходного интерфейса, позволяет обеспечивать захват данных, поступающих от всех датчиков (по всем каналам), в один момент времени - с последующим выводом этих данных (магнитного потока сквозь каждый из пространственно распределенных контуров) на блок их отображения: персональный компьютер 6 или (если есть потребность в предварительной оценке данных без необходимости использования персонального компьютера) блок индикации 7. По получаемым данным магнитных потоков, используя, в частности, программное обеспечение, становится возможным определение данных магнитной индукции - как соответствующих усредненных характеристик поля (в пределах того или иного контура), так и координатных локальных характеристик поля (по разностным значениям магнитных потоков сквозь смежные контуры и их сечений), т.е. данных магнитной индукции практически по мере увеличения радиуса контура (для рассматриваемого примера - по мере удаления от точки контакта шаров).