АВТОНОМНЫЙ ПАССИВНЫЙ РЕГИСТРАТОР СИЛЬНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для автономной регистрации напряженности однократного сильного импульсного магнитного поля.
Известно техническое решение [1] для измерения индукции сильных магнитных полей с применением преобразователей магнитоспротивления, в котором магнитосопротивление помещено, в одно из плеч резистивной мостовой схемы, запитываемой от источника напряжения. При этом напряжение разбаланса моста, возникающее в результате изменения величины магнитосопротивления под действием магнитного поля, измеряется непосредственно в период действия магнитного поля стрелочным или цифровым прибором с помощью линии связи, подключаемой к мосту.
Недостатком такого решения является возникновение помеховых токов на проводах линии связи, наводимых измерительным магнитным полем, что приводит к снижению точности измерений.
Известно также техническое решение [2], содержащее пассивные магниторегистраторы, применяемые для автономной регистрации максимальных значений сильных токов молниевого разряда. В этом устройстве измерение осуществляется автономно, с помощью магниторегистраторов, представляющих собой цилиндрические микростержни, изготовленные из стальных опилок или проволочек и запрессованных в пластмассовый корпус. Для изготовления магниторегистраторов применяют материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, которые сохраняют большую остаточную намагниченность. Измеряя эту намагниченность, определяют максимальное значение воздействовавшего магнитного поля и соотносят его со значением тока.
Однако, из-за особенностей поведения в магнитном поле используемых крупнодисперсных структурных элементов, эти магниторегистраторы не обеспечивают необходимой точности измерений.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является магниторегистратор [3], представляющий собой пластинку стального проката от лезвий безопасной бритвы, положительный опыт использования которых подтвержден многолетними исследованиями. Для повышения разрешающей способности и точности регистрации был применен измерительный модуль, состоящий из двух запоминающих свое магнитное состояние магниторегистраторов, причем один из них обеспечивает регистрацию положительно направленных магнитных полей, второй - отрицательно направленных. Магниторегистраторы [3], изготовленные в виде пластинок из магнитожесткого материала имеют размеры 17×8,5×0,1 мм, диапазон регистрируемых значений амплитуды импульсов напряженности магнитного поля составляет от +20 до -20 кА/м, а погрешность регистрации амплитуды не превышает 10%.
Недостатком прототипа является низкое значение верхнего предела динамического диапазона измерений, высокая погрешность измерений, а также большие габариты магниторегистратора для обеспечения необходимых разрешения и точности измерений при решении задачи нахождения оптимального пространственного распределения величины фокусирующего магнитного поля в сильноточных электронных приборах, например, в импульсных виркаторах.
Техническим результатом является увеличение верхнего предела динамического диапазона измерений, снижение погрешности измерений, уменьшение габаритных размеров магниторегистратора.
Технический результат достигается тем, что автономный пассивный регистратор сильного импульсного магнитного поля, содержащий два магниточувствительных запоминающих элемента, выполненных из магнитотвердого материала, один из которых предназначен для регистрации величины магнитного поля положительной полярности, другой - отрицательной полярности, магниточувствительные элементы выполнены из феррита, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса, причем форма магниточувствительных элементов такова, что их эффективная относительная магнитная проницаемость меньше относительной магнитной проницаемости феррита, из которого они изготовлены, при любых направлениях магнитного поля.
Конструкция предлагаемого автономного пассивного регистратора сильного импульсного магнитного поля представлена на фиг.1.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - магниточувствительные запоминающие элементы выполненные из магнитотвердого феррита с прямоугольной петлей гистерезиса;
2 - пластмассовые корпуса;
+
-
HU H - обозначение ситуации, когда полярность импульсного магнитного поля H перед измерением неизвестна и магниточувствительные запоминающие элементы 1 направлены в противоположные стороны.
Автономный пассивный регистратор сильного импульсного магнитного поля содержит два магниточувствительных запоминающих элемента 1, запрессованных в пластмассовые корпуса 2, стрелкой показано направление калибровочной магниточувствительности элементов 1.
В регистраторе использован блок подготовки к измерению и считывания с него измерительной информации с импульсным электромагнитом и феррозондовым измерителем остаточной намагниченности, а также цифровой милливольтметр.
Автономный пассивный регистратор сильного импульсного магнитного поля работает следующим образом.
Перед началом цикла измерений амплитуды напряженности импульсного магнитного поля магниточувствительные элементы 1 автономного пассивного регистратора поочередно намагничивают до насыщения в направлении противоположном стрелке, соответствующей калибровочной магнитчувствительности. Намагничивание производят в продольном магнитном поле электромагнита с напряженностью не менее 1600 кА/м.
Затем автономный регистратор помещают в точку исследуемого пространства и ориентируют его магниточувствительные запоминающие элементы 1 в противоположные стороны (фиг.1), если полярность магнитного поля априори неизвестна, - и в одну сторону с целью снижения статистической погрешности измерений, если полярность магнитного поля известна. После прохождения импульса магнитного поля при совпадении полярности магнитного поля со стрелкой на пластмассовом корпусе 2 магниточувствительного элемента 1 происходит его размагничивание измеряемым магнитным полем и переход в новое состояние намагниченности, при несовпадении полярности состояние намагниченности магниточувствительного элемента 1 не изменяется, и он остается в насыщении. Магниточувствительные элементы 1, несмотря на отсутствие связи с какими-либо источниками питания, благодаря физическим свойствам магнитотвердого феррита с прямоугольной петлей гистерезиса, из которого они изготовлены, запоминают свое текущее состояние намагниченности и сохраняют его в течении необходимого времени. На конечном этапе цикла измерений магниточувствительные запоминающие элементы 1 поочередно устанавливают продольно (по стрелке на корпусе 2) в промежуток между сердечниками измерительного феррозондового преобразователя устройства подготовки и считывания и с помощью милливольтметра измеряют напряжение, пропорциональное остаточной намагниченности элементов 1 и, соответственно, амплитуде напряженности импульсного магнитного поля.
При модельных измерениях пространственного распределения фокусирующего магнитного поля в электронных приборах важно чтобы используемые средства измерений вносили своим присутствием минимальное возмущение в магнитные и электрические поля, формирующие электронный пучок. Соседство магнитных и электрических линз по траектории движения электронов, требует учета влияния средств измерения на оба вида полей, присутствующих в околопучковом пространстве. В сравнении с прототипом предлагаемый автономный регистратор обладает заметно меньшим влиянием на электрическое поле, поскольку электрическая проводимость феррита на много порядков меньше проводимости стального проката - материалов, из которых изготовлены магниточувствительные элементы предлагаемого регистратора и прототипа соответственно.
Кроме того, с точки зрения влияния на измеряемое магнитное поле важна изотропность магнитных свойств магниточувствительных элементов, т.е. отсутствие заметной величины и пространственной неравномерности концентрации магнитного поля.
3
Сравним концентрирующую способность магниточувствительных элементов предлагаемого регистратора и прототипа, оценив их эффективные магнитные проницаемости. Для этого зададимся относительной магнитной проницаемостью материалов обоих сравниваемых регистраторов, равной 10.
Тогда, как следует из [4], эффективную магнитную проницаемость тела µ можно оценить по формуле
где  - коэффициент размагничивания; Λ=1/d - относительная длина тела; 1, d - продольный и поперечный размеры тела.
Для прототипа (пластина с размерами 17×8,5×0,1 мм):
и,
следовательно .
Для предполагаемого регистратора (усеченный цилиндр 5×5 мм)
В результате видно, что эффективная магнитная проницаемость, а следовательно и концентрирующая способность у прототипа велика и заметно больше в одном из направлений, чем в других. В то время, как в предлагаемом регистраторе она мала и практически одинакова во всех направлениях. Это означает, что допустимая дискретность отснятая распределения магнитного поля при использовании предлагаемого автономного регистратора будет много выше, а характер распределения поля будет определен точнее.
r
m
r
С целью повышения точности измерений абсолютного значения амплитуды для каждого магниточувствительного элемента автономного регистратора необходимо построить калибровочный график, помещая магниточувствительный элемент в импульсное магнитное поле с известной амплитудой напряженности. Типовой калибровочный график зависимости остаточной намагниченности, J магниточувствительного запоминающего элемента от амплитуды напряженности импульсного магнитного поля H представлен на фиг.2. Пунктиром на фиг.2 выделены линейные области на гистерезисной кривой соответствующие относительно положительной (A-B) и отрицательной (C-D) полярностям размагничивающего импульса. При этой процедуре остаточной намагниченности J ставится в соответствие индукция магнитного поля рассеяния магниточувствительного запоминающего элемента, контролируемая феррозондовым измерительным преобразователем устройства ТС 568.
Таким образом, в предлагаемом автономном пассивном регистраторе сильного импульсного магнитного поля недостатки прототипа устранены путем использования в качестве материала магниточувствительных элементов магнитотвердого феррита с прямоугольной петлей гистерезиса, а также благодаря приданию магниточувствительному элементу такой формы, которая не имеет выделенных габаритных направлений. Достигнутая основная погрешность измерения в диапазоне до 800 кА/м при длительностях импульсов магнитного поля от 20 мкс до 1 с и времени хранения измерительной информации не менее 240 ч составляет не более ±6%. Максимальное время хранения составляет не менее 6 месяцев. Габаритные размеры магниточувствительных элементов регистратора - диаметр 5 мм, длина 5 мм.
Литература
1. Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов и др. Средства измерений параметров магнитного поля. Л. Энергия, 1979, стр.166.
2. Л.Ф. Дмоховская, В.П. Ларионов и др. Техника высоких напряжений. М. Энергия, 1976, стр.230.
3. О. Ахматов, В.А. Мезгин и др. Комплекс магнитной регистрации токов молнии в опорах ВЛ220кВ “Цимлянская ГЭС - ШЗО”. В сборнике докладов на III Всеросийской конференции по молниезащите, г.Санкт-Петербург, 22-23 мая 2012 г., с.183-193.
4. Г. Рейнбот Технология и применение магнитных материалов. М. - Л. Госэнергоиздат, 1963, стр.61-63.