Способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы
METHOD FOR MEASURING MAGNETIC MOMENT OF ELONGATED BODY

Изобретение относится к области измерений магнитного момента (ММ) тела удлиненной формы, например, корабля или образца магнитного материала.
Известен двухточечный магнитометрический метод измерений ММ [1. Семенов В.Г., Сонина В.Э. Анализ методов измерения магнитных моментов // Метрология. 1992. №8. С. 3-46]. Метод [1] предполагался для измерений ММ крупногабаритных тел в дальней зоне (более полудлины тела), благодаря своей простоте и оперативности. Однако для тела удлиненной формы результирующая погрешность измерений ММ методом [1] оказалась слишком большой (30-40%) из-за значительной методической составляющей, или погрешности от недипольности.
Известен также [2. Патент РФ №2303792. Способ измерения магнитного момента крупногабаритного тела удлиненной формы]. Способ [2] основан на измерениях магнитной индукции (МИ) во множестве точек ближней зоны (менее полудлины тела). Множество точек измерения снижает погрешность измерения до 3%, но является существенным неудобством способа [2].
В 2017 г. метод [1] был усовершенствован в части снижения погрешности измерений до 10-13% [3. Патент РФ №2677928. Способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы]. Частично способ [3] основывался на опубликованных предложениях, в частности, в статье [4. Ю.М. Иванов, В.Г. Семенов. Корректирующие матрицы - путь к повышению точности трехкомпонентных магнитометров // Измерительная техника. 2013. №6. С. 46-51].
Появилось также интересное предложение по обращению модульных (квантовых) магнитометров в трехкомпонентные, которое обещает более высокие метрологические характеристики в сравнении с традиционными (феррозондовыми) магнитометрами [5. А.К. Вершовский и др., Быстродействующий трехкомпонентный магнитометр-вариометр на основе цезиевого датчика // Журнал технической физики. 2006. т. 76. вып. 1. С. 115-120].
Наконец, следует добавить, что закономерности поведения погрешностей способов [1] и [3] изучались в специальной статье [6. Р.В. Гетъман и др., Анализ погрешностей измерения магнитного момента кораблей в дальнем поле // Морской вестник. 2018. №1(65). С. 102-103].
Способ [3] принят в качестве ближайшего аналога заявляемого способа по совокупности существенных признаков.
Известный способ [3] включает измерения разности МИ тела в дальней зоне трех-компонентными измерительным и компенсационным магнитометрами, или датчиками дифференциального магнитометра (ДМ), разделение тела на продольные участки, а также измерения расстояний между датчиками ДМ и участками тела.
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа [3] является то, что он изначально рассчитан на распределение намагниченности по длине тела, близкое к однородному.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерений ММ тела удлиненной формы двухточечным магнитометрическим методом.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в том, что он снижает погрешность измерений ММ тела также и с неоднородным распределением намагниченности по его длине.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ измерения магнитного момента тела удлиненной формы путем измерения разности магнитной индукции тела в дальней зоне с помощью трехкомпонентных измерительного и компенсационного магнитометров, разделения тела на продольные участки, а также измерения всех компонент каждой пары разностей координатных матриц между каждым магнитометром и каждым участком отличается тем, что дополнительно определяют ферромагнитную массу каждого участка, с помощью которой измеряют магнитный момент тела по формуле
2
где М - магнитный момент тела, Ам;
0
-7
μ=4π×10 - магнитная постоянная, Гн/м;
m - ферромагнитная масса тела, кг;
i=1,2…р - индекс участка;
i
m - ферромагнитная масса i-го участка, кг;
-3
- разность координатных матриц i-го участка, м;
-2
∇∇ - символ градиента градиента, м;
iu
iк
R, R - расстояния между центром i-го участка и соответственно измерительным/компенсационным датчиками магнитометра;
uк
ΔB - разность магнитных индукций, Тл, которую измеряют с помощью квантовых измерительного и компенсационного магнитометров.
На фиг. 1 изображена схема измерения ММ тела удлиненной формы, где 1 - тело удлиненной формы; 2 - центр тела; 3 - измерительный датчик (ИД), а 4 - компенсационный датчик (КД) трехкомпонентного дифференциального магнитометра (ДМ); 5-9 - центры i-х участков, на которые разделено тело.
В заявляемом способе ММ измеряют по уравнению измерения (1) а в известном способе - по другому уравнению:
где р - число участков разделения тела, остальные пояснения как в (1).
2u
Дополнительно к (1) расшифруем градиент градиента, например, измерительного датчика ДМ, находящегося на расстоянии R от центра тела
где n - единичное направление радиус-вектора между центром 2 и датчиком 3;
nn - матрица 3×3, образованная умножением столбца и на строку n;
I- единичная 3×3 матрица.
5
2
i
Заявляемый способ проверен в сравнении с известным с помощью компьютерного моделирования (КМ) измерений MM (10 Ам) тела длиной L=121 м при резко неравномерном распределении ММ по длине тела с разделением тела на 11 участков. Отношения ферромагнитных масс участков m к массе тела m, при которых проводилось КМ, показаны в таблице 1.
Для сравнительных оценок погрешностей достаточно ограничиться методическими и инструментальными составляющими, которые определяются с помощью КМ независимо друг от друга, но вместе образуют результирующие погрешности измерения ММ.
КМ - анализ инструментальных составляющих погрешностей проведен для трех классов (точности) аппаратуры:
кл.2 - традиционная для способа [1] аппаратура на трехкомпонентных феррозондовых магнитометрах;
кл.1 - аппаратура для способа [3] также на трехкомпонентных феррозондовьгх магнитометрах, усовершенствованная по методике [4];
кл.0 - аппаратура для заявляемого способа на трехкомпонентных квантовых магнитометрах по аналогии с магнитометром, предложенным в работе [5].
2и
Упомянутые составляющие и результирующие погрешности КМ-измерений приведены в таблице 2 в функции отношения расстояния R между центром тела 2 и датчиком 3 к длине тела L. Расстояние между измерительным 3 и компенсационным 4 датчиками выбрано равным 50 м.
Как видно из таблицы 2, с повышением относительного расстояния методические погрешности снижаются, а инструментальные нарастают лавинообразно. Соответственно результирующие погрешности при некоторых расстояниях минимизируются, что отмечено в таблице полужирным шрифтом.
Итак, на относительном расстоянии 1.0 заявляемый способ снижает погрешность измерений ММ известным способом почти в 2 раза.
i
Наконец, можно показать, что если распределение намагниченности по длине тела равномерно m=α=const, то
и уравнение (1) обращается в (2), а если все тело представляет собой один участок, то уравнение (1) обращается в уравнение измерения ММ по способу [1]
То есть, уравнение измерений (1) является обобщением соответствующих уравнений измерений известных способов [1] и [3].