СПОСОБ СОЗДАНИЯ СТАБИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR CREATING A STABLE MAGNETIC FIELD AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемая группа изобретений относится к сфере метрологических электромагнитных комплексов и предназначена для создания корректирующего магнитного поля, компенсирующего колебания напряженности магнитного поля, создаваемого основными катушками соленоида или электромагнита, возникающих вследствие ряда внешних факторов.
Настоящей группой изобретений обеспечивается возможность создания постоянных магнитных полей в диапазоне 0,01 – 2,5 Тл, что может использоваться для поверки, градуировки, и калибровки средств измерений индукции магнитного поля.
Из уровня техники известны системы, обеспечивающие создание стабильного магнитного поля в зазоре электромагнита. Известно устройство по авторскому свидетельству № 964614 (авторы С.А. Дмитриченко и И.В. Барановский, МПК G05F7/00, дата подачи з. 09.06.1980). Согласно описанию к авторскому свидетельству, нестабильность тока стабилизированного источника тока, вызванная, например, изменением напряжения питающей сети или сигналом управления, приводит к изменению тока в обмотке, датчика тока и к изменению величины магнитного поля электромагнита. Изменения напряжения с датчика поступают на управляющий вход стабилизирующего источника тока, который регулирует ток в обмотке таким образом, что магнитное поле электромагнита остается неизменным в пределах нестабильности тока источника тока. Изменения напряжения с датчика поступают на управляющий вход стабилизирующего источника тока, который регулирует ток в обмотке таким образом, что магнитное поле электромагнита остается неизменным в пределах нестабильности тока источника. Нестабильность величины магнитного, поля, вызванная, например, изменением зазора магнитопровода при изменении температуры приводит к изменению сопротивления датчика тока. Изменения напряжения с датчика 9 поступают на управляющий вход стабилизирующего источника тока, который регулирует ток в обмотке таким образом, что магнитное поле электромагнита остается неизменным в пределах нестабильности тока источника.
Недостатками указанного технического решения являются невозможность компенсации изменения магнитной индукции, обусловленного, в частности, нагревом ярма электромагнита и изменением его магнитной проницаемости, перемещением ферромагнитных предметов вблизи электромагнита. Использование магниторезистора в качестве чувствительного элемента системы стабилизации тока не позволит варьировать индукцию магнитного поля в зазоре электромагнита. В целом представленная схема предназначена для поддержания определенной величины магнитной индукции и не позволяет перестраивать ее в широком диапазоне.
Наиболее близким техническим решением является изобретение по авторскому свидетельству №1721599 «Источник стабильного магнитного поля» (заявитель НПО «Метрология», МПК G05F7/00, дата подачи заявки №4810473 15.01.1990). Согласно описанию к авторскому свидетельству, устройство работает следующим образом. При изменении значения индукции магнитного поля в рабочем зазоре электромагнита с катушками возникает сигнал рассогласования, который воспринимается чувствительным элементом и поступает на вход ЯМР-преобразователя, резонансная частота которого синхронизируется опорным генератором с выхода ЯМР-преобразователя сигнал рассогласования через фазочувствительный детектор и согласующее устройство, представляющее собой усилитель постоянного тока, подается на катушки, создающие магнитный поток в дополнительной полюсной системе, причем направление магнитного потока должно совпадать с направлением магнитного потока полей рассеяния электромагнита.
К недостаткам изобретения относится использование дополнительной полюсной системы, что неприменимо к уже выпускаемым электромагнитам, применение аналоговой системы стабилизации, перенос которой на новый электромагнит может потребовать замены некоторых элементов системы стабилизации; сложность подстройки глубины обратной связи; непонятна возможность использования системы стабилизации при различных значениях магнитной индукции в зазоре электромагнита 1.
Технической проблемой, на решение которой направлены предлагаемые способ и система, заключается в расширении арсенала технических средств, а технический результат заключается в реализации изобретением указанного назначения, а именно в стабилизации магнитного поля в зазоре электромагнита.
Техническая проблема решается следующим образом. Настоящей группой изобретений предложен, в том числе, способ стабилизации магнитного поля в зазоре электромагнита, который включает задание средствами управления целевого значения магнитной индукции в зазоре электромагнита, подачу тока рассчитанной силы основным источником питания на основные средства создания магнитного поля, измерение величины магнитной индукции в зазоре электромагнита, расчет и введение добавки к силе тока (ΔI) до получения установленной разности между целевым и измеренным значением, подключение дополнительного источника питания меньшей мощности, чем основной источник питания, связанного с дополнительными средствами создания магнитного поля. В момент включения которых определяют разницу между заданным и измеренным значениями и вводят, по меньшей мере, один поправочный коэффициент в значение величины силы электрического тока.
В первом частном случае способ дополнительно характеризуется тем, что установленная разность между целевым и измеренным значением составляет, Тл: .
Во втором частном случае способ дополнительно характеризуется тем, что расчет силы электрического тока, изначально подаваемого источником питания на основные средства создания магнитного поля, производят по формуле:
(1)
где  – расчетная величина силы электрического тока, подаваемого на основные средства создания магнитного поля,  – целевое значение магнитной индукции в зазоре электромагнита.
В третьем частном случае способ отличается тем, что  расчет добавки к силе электрического тока осуществляют по формуле:
(2)
I
B
где ∆ – величина добавки к силе электрического тока, ∆ – отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения.
В четвертом частном случае способ отличается тем, что подключение источника питания меньшей мощности, чем основной источник питания, связанного с дополнительными средствами создания магнитного поля, и введение, по меньшей мере, одного поправочного коэффициента, зависит от целевого значения величины магнитного поля в воздушном зазоре электромагнита.
В пятом частном случае, способ дополнительно характеризуется тем, что поправочные коэффициенты включают: пропорциональный коэффициент, интегральный коэффициент, дифференциальный коэффициент.
В шестом частном случае, способ дополнительно характеризуется тем, что добавку к силе электрического тока, генерируемую источником питания меньшей мощности определяют как:
(3)
∆I
K
∆B
K
∆B
K
∆B
проп
инт
инт
дифф
дифф
где  – добавка к установленному значению силы электрического тока в компенсирующих средствах создания магнитного поля, А;  – пропорциональный коэффициент;  – отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения, Тл;  – интегральный коэффициент;  – накопленное отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения, Тл;  – дифференциальный коэффициент;  – разность измеренных значений магнитной индукции в зазоре электромагнита при предпоследней и последней итерации, Тл.
1. В первом уточнении указанного частного случая способ дополнительно характеризуется тем, что пропорциональный коэффициент определяют как:
(4)
B
где  – значение устанавливаемой индукции, Тл.
N
Во втором уточнении, способ дополнительно характеризуется тем, что разность измеренных значений магнитной индукции в зазоре электромагнита записываются в массив из  элементов, затем, из данных массива методом скользящего среднего определяют интегральное отклонение экспериментальных значений индукции от заданного:
(5)
∆B
N –
инт
где  – накопленное отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения, количество элементов в массиве,  – отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения.
-2
2
В третьем уточнении, способ дополнительно характеризуется тем, что дифференциальный коэффициент зависит от наличия вблизи системы перемещаемых ферромагнитных материалов, которые вносят возмущения в результаты измерений величины магнитного поля в зазоре электромагнита и изменяется в диапазоне: от минус 10 до 10.
Средствами управления вводят целевое значение магнитной индукции, воспроизводимой при работе системы в зазоре электромагнита. Средства управления могут быть представлены различными устройствами и комплексами и снабжены интерфейсом для коммуникации системы и оператора. Вычислительные средства, которые могут быть совмещены со средствами управления, производят расчет силы тока, генерируемой основным источником питания, используя математическую аппроксимацию эмпирически определенной зависимости. Значение магнитной индукции, полученное при первой итерации, может иметь отклонение от заданного значения до 0,001 Тл, что обусловлено гистерезисом ярма и полюсных наконечников электромагнита, а также отклонением аппроксимации от экспериментально установленной авторами зависимости. Производимые средствами измерения электромагнитной индукции замеры, позволяют определить разность между заданным и фактическим значениями, что и осуществляется средствами вычисления. По математической аппроксимации, выраженной, в том числе, полиномиальной зависимостью, определяют добавку к силе тока, подаваемого на основные средства создания магнитного поля. Таким образом, проводится несколько итераций указанной последовательности, до достижения экспериментально установленной разности между целевым и фактическим значениями. Дальнейшая подстройка параметров силы тока с использованием указанного набора средств создания магнитного поля нецелесообразна по причине физических ограничений источника электрического тока и основных средств создания магнитного поля. Далее, производится подключение корректирующих средств создания магнитного поля, соединенных со своим, меньшим по мощности источником питания, и измеряется значение величины магнитного поля в зазоре. Таким образом, последующей подстройкой значения силы тока, достигают стабильного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита.
Установка целевого значения разности между заданным и измеренным значением в диапазоне от  Тл обусловлено количеством витков основных средств создания магнитного поля и выходными характеристиками источника питания указанных средств создания магнитного поля. Соответственно, указанный диапазон величин задан ввиду дискретности шага задания силы электрического тока основного источника питания и дрейфа силы выходного электрического тока последнего в пределах шага дискретности.
Применяемый настоящим способом подход к вычислению добавки к величине силы тока, подаваемого на средства создания магнитного поля, отличается от традиционной применяемой схемы пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования. Стандартная схема регулирования не применима в случае задания индукции магнитного поля в широком диапазоне значений в силу того, что средства измерения используют несколько датчиков, работающих в различных поддиапазонах индукций, а при использовании стандартной схемы регулирования необходим отклик от средства измерений.
Расчет силы тока, подаваемой источником питания на основные средства создания магнитного поля, осуществляют по математической аппроксимации экспериментально установленной авторами технического решения зависимости.
На последующих итерациях к первоначально рассчитанному значению силы тока, подаваемого на основные средства создания магнитного поля, добавляется или вычитается величина, пропорциональная разности между измеренным и установленным значением магнитной индукции. Таким образом, изменяется не все значение компоненты, вводится добавка к ней. Величина добавки определяется на основе полинома четвертой степени для того, чтобы на всем диапазоне силы электрического тока/индукции обеспечить примерно одинаковое время установления заданного значения с учетом скорости подстройки частоты резонанса средств измерения магнитного поля.
После включения в работу дополнительных средств создания магнитного поля сила электрического тока, подаваемая основным источником питания на основные средства создания магнитного поля, фиксируется и начинается изменение силы электрического тока в дополнительных средствах создания магнитного поля. Начальное значение силы тока устанавливается равным половине максимального значения выходной силы тока источника питания для возможности обеспечения как увеличения магнитной индукции в зазоре, так и ее уменьшения.
Заявляемую группу изобретений составляет система управления магнитной индукцией в зазоре электромагнита. Из уровня техники известно изобретение по авторскому свидетельству №1721599 «Источник стабильного магнитного поля» (заявитель НПО «Метрология», МПК G05F7/00, дата подачи заявки №4810473 15.01.1990), приведенный в качестве аналога для способа, составляющего группу. Недостатки, указанные таковыми для способа, справедливы и для системы в целом.
Технической проблемой, на решение которой направлена система управления магнитной индукцией, является обозначенная для способа задача.
Задача решается следующим образом. Предложена система управления магнитной индукцией в зазоре электромагнита, которая включает электромагнит с воздушным зазором, снабженный основными средствами создания магнитного поля, соединенными с основным источником питания, средства измерений магнитной индукции, размещенными с возможностью измерения магнитной индукции в воздушном зазоре, средства вычисления и управления, связанные со средствами измерения электромагнитной индукции и основным источником питания, отличающийся тем, что снабжена корректирующими средствами создания магнитного поля, соединенными с дополнительным источником питания, меньшей мощности, чем основной источник питания, который соединен со средствами вычисления и управления.
В первом частном случае, система дополнительно характеризуется расположением средств создания магнитного поля вблизи полюсных наконечников электромагнита.
Во втором частном случае система дополнительно характеризующееся тем, что средства измерения магнитной индукции содержат измеритель магнитной индукции на основе ядерного магнитного резонанса.
В третьем частном случае система дополнительно характеризующееся тем, что мощность дополнительного источника питания составляет не более 0,5 % от мощности основного источника питания.
-6
Электромагнит с немагнитным (воздушным) зазором снабжен средствами создания магнитного поля, выполненными в виде намотанных на полюсные наконечники катушек, подключенных к собственному источнику питания. Последний позволяет получать сигнал от средств управления и генерировать ток установленной силы. Обратную связь о фактическом значении величины магнитного поля в зазоре электромагнита получают от средств измерений, установленных непосредственно в зазоре. Помимо основных средств создания магнитного поля, система снабжена дополнительными средствами, соединенными с собственным источником питания, который также получает команды от средств управления. Способом, описанным выше, с использованием системы создают стабильное магнитное поле в зазоре, величина которого соответствует заданной оператором с точностью до 10 Тл.
Снабжение системы дополнительными средствами создания магнитного поля, выполняющими корректирующую функцию, позволяет снизить дрейф силы выходного электрического тока последнего в пределах шага дискретности.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 – Общий компонентный состав системы;
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 – основные средства создания магнитного поля;
2 – основной источник питания;
3 – дополнительные средства создания магнитного поля;
4 – дополнительный источник питания;
5 – персональный компьютер;
6 – измеритель магнитной индукции;
Для понимания принципов работы и особенностей различных реализаций изобретения, ниже приведено описание фигур технического решения. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации изобретения. Соответственно, нет необходимости в ограничении объема правовой охраны технического решения исключительно представленными реализациями и перечнями подсистем, узлов и компонентов. Изобретение может быть реализовано и иначе. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов изобретения специалистом, необходимо уточнить термины, применяемые в описании.
Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле узлы и детали устройства, также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное. Например, указание на составной элемент устройства также означает указание на совокупность (множество) таких элементов.
Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, в частности, термин «стабилизация магнитного поля» означает получение средствами измерения, установленными в зазоре электромагнита результата, с некоторой погрешностью равного значению магнитного поля, заданного средствами управления.
Под термином «основные средства создания магнитного поля» понимают электромагнит с воздушным зазором, снабженный намагничивающими катушками. Термин «основной источник питания» относится к электрическому оборудованию, предназначенному для производства или изменения характеристик электрической энергии, в частности, им может быть лабораторный источник питания, обладающий достаточной мощностью для подачи силы тока стабильной величины на средства создания магнитного поля и способного получать сигнал от средств управления. В случае настоящего изобретения, фраза «размещены вблизи» употребляется для описания места установки дополнительных средств создания магнитного поля. Средства создания магнитного поля, в частности, катушки, размещают у полюсных наконечников электромагнита таким образом, что при подаче на них тока посредством источника питания, катушки изменяют величину магнитного поля в зазоре электромагнита так, что это изменение фиксируется средствами измерения. Термин «дополнительные средства создания магнитного поля» относится к системе дополнительных намагничивающих катушек, соединенных со своим источником питания и установленных вблизи полюсных наконечников электромагнита. Термин «поправочный коэффициент» означает введение некоторой математически выраженной величины к силе электрического тока, генерируемого источником питания. Фраза «целевое значение» относится к задаваемой средствами управления величине магнитной индукции, которую оператор желает достичь в зазоре электромагнита. Словосочетание «средства вычисления» характеризует программно-аппаратный комплекс, способный производить математические преобразования получаемых от оператора или компонентов системы данных с последующей передачей результата указанным компонентам с использованием средств управления. Термин «средства управления» отдельный программно-аппаратный комплекс или часть программно-аппаратного комплекса средств вычисления, предназначенный для передачи управляющих команд компонентам системы. Термин «воздушный зазор» означает, в общем смысле, наличие разомкнутого сердечника электромагнита, с образованием немагнитной среды.
Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в композиции, предмете или способе, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, шагов способа, даже если такой компонент, материал, часть, шаг способа выполняет ту же функцию, что и указанный.
Материалы, из которых изготовлены различные элементы настоящего изобретения, указанные ниже при описании примеров конкретного выполнения устройства, являются типичными, но не обязательными для применения. Указанные в настоящих примерах выполнения материалы, могут быть заменены многочисленными аналогами, выполняющими ту же функцию, что и приведенные в описании примеры материалов.
В соответствии с одной из частных реализаций настоящего изобретения, система управления магнитной индукцией в зазоре электромагнита состоит из электромагнита с основными намагничивающими катушками, дополнительно намотанных вблизи полюсных наконечников компенсирующими катушками, лабораторного источника питания большой мощности, лабораторного источника питания малой мощности, измерителя магнитной индукции на основе ядерного магнитного резонанса, персонального компьютера, обеспечивающего управление всеми средствами измерений и вычисление.
Система работает следующим образом. При задании в программном обеспечении величины индукции магнитного поля по предварительно заложенному полиному девятой степени выполняется расчет необходимой силы электрического тока для получения заданного значения магнитной индукции. Величина полученной индукции может отличаться от заданной на 0,001 Тл, что связано с гистерезисом ярма и полюсных наконечников электромагнита, а также отклонением полиномиальной аппроксимации от экспериментальной зависимости.
Тесламетром на основе ядерного магнитного резонанса выполняется измерение магнитной индукции в зазоре электромагнита. Из полученной разности между заданной и измеренной индукциями с использованием полинома пятой степени рассчитывается добавка к протекающему по намагничивающим катушкам электрическому току. Процедура повторяется до тех пор, пока разность между заданным и измеренным значениями магнитной индукции не станет меньше .
Когда разность между заданным и измеренным значениями магнитной индукции становится меньше , включается управление лабораторным источником питания малой мощности, подключенным к дополнительным средствам создания магнитного поля - дополнительным обмоткам. Это сделано ввиду дискретности шага задания силы электрического тока источника питания большой мощности и дрейфа силы выходного электрического тока последнего в пределах шага дискретности.
Сила электрического тока в дополнительных катушках при регулировании магнитной индукции в зазоре электромагнита лабораторным источником питания большой мощности составляет 2,5 А. В момент подключения источника питания малой мощности определяется разность между заданной и измеренной индукцией.
Разностный сигнал умножается на пропорциональный коэффициент, который варьируется от 500 до 5000. Полученный результат добавляется к заданной силе электрического тока в дополнительных средствах создания магнитного поля. Параллельно, значения разности величины магнитной индукции между заданным и измеренным значением при каждой цикле измерения записываются в массив из 100 и более элементов. Из данных массива методом скользящего среднего определяется интегральное отклонение экспериментальных значений индукции от заданного значения и умножается на интегральный коэффициент, зависящий от значения задаваемой магнитной индукции и варьирующийся от 0 до 2500. Для борьбы с автоколебаниями и резкими реакциями системы стабилизации на разовые отклонения экспериментальных значений индукции в результате возникновения кратковременных помех предусмотрена возможность ограничения скорости изменения индукции за счет введения поправки, пропорциональной разности сигнала между двумя последующими результатами измерений магнитной индукции. Разность умножается на дифференциальный коэффициент. Как правило значение дифференциального коэффициента равно нулю, однако при перемещении вблизи системы ферромагнетика для сглаживания скачков изменения силы тока в катушках, целесообразно устанавливать коэффициент в диапазоне от минус 1000 до плюс 1000.
При достижении максимального или минимального значения силы электрического тока дополнительного источника питания происходит изменение силы тока обоих (основного и дополнительного) источников питания таким образом, что значение индукции в зазоре электромагнита не изменилось. Вместе с тем, ввиду различных индуктивностей основных и дополнительных средств создания магнитного поля, происходят колебания магнитной индукции, которые компенсируется системой стабилизации в соответствии с предложенным способом.
Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами конкретного выполнения. Могут быть предложены и иные формы реализации технического решения, не отдаляясь от смысла изобретения.
Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью показать промышленную применимость устройства и дать общее впечатление о возможностях системы и транспондера. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой изобретения, а не представленным описанием, и все изменения, совершенные с применением эквивалентных признаков, подпадают под правовую охрану настоящего изобретения.