СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО УРОВНЯ МОДУЛЯ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ ГИПОГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭКРАНИРУЮЩЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROVIDING GIVEN LEVEL OF MAGNITUDE OF HYPOGEOMAGNETIC FIELD INDUCTION VECTOR IN CYLINDRICAL SCREENING CHAMBER AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к технике магнитного и электромагнитного экранирования при проведении биологических, биофизических и медико-биологических исследований в области изучения влияния магнитных полей на биологические и биофизические объекты. Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды - электромагнитный (Григорьев О.А., Бичелдей Е.П., Меркулов А.В. и др. Определение подходов к нормированию воздействия антропогенного электромагнитного поля на природные экосистемы. Справочно-информационное издание. Российский национальный комитет по защите от неионизирующего излучения, 1999). К его появлению привело развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, некоторых видов транспорта, а также развитие ряда технологических процессов. В настоящее время мировой общественностью признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью. Введено специальное понятие - электромагнитная экология.
По сравнению с ЭМП естественного происхождения (естественный электромагнитный фон Земли) техногенные ЭМП обладают на порядки большей интенсивностью и неравномерностью локализации по пространству (Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы // Успехи Физических Наук, 2003, том 173, №3, с.265-300. Птицына Н.Г., Дж. Виллорези, Л.И. Дорман и др. Естественные и техногенные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // Успехи Физических Наук, 1998, том 168, №7, с.768-790). Биологический эффект искусственных ЭМП в условиях длительного воздействия накапливается, в результате возможно развитие дегенеративных процессов центральной нервной системы, рака крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональных заболеваний. Наиболее чувствительные системы организма человека: сердечно-сосудистая, нервная, иммунная, эндокринная и половая.
Исследование влияния ЭМП на биологические объекты характеризуется наличием большого количества экспериментального материала, подтверждающего сам факт такого влияния и практически полным отсутствием данных о возможных механизмах этих взаимодействий.
Выяснение механизмов воздействия электромагнитных полей на биологические объекты является чрезвычайно актуальной задачей, решение которой может позволить в перспективе защитить жизнь и здоровье человека. Для корректной постановки подобных исследований необходимо существенно уменьшить влияние всех действующих ЭМП (включая естественный электромагнитный фон Земли) в некотором ограниченном объеме, достаточном для размещения биологического или биофизического объекта и проведения конкретного эксперимента.
В исследовательской практике достаточно широко используются экранирующие магнитные материалы и изготовленные из них экранирующие камеры (боксы), обладающие различными экранирующими характеристиками. В последнее время появились новые магнитомягкие материалы на основе кобальта, так называемые аморфно-металлические сплавы (АМС), ленты из которых стали использоваться для создания экранирующих камер (Гудошников С.А., Венедиктов С.Н., Гребенщиков Ю.Б. Экранирующая камера для ослабления магнитного поля Земли на основе рулонных магнитных материалов. // Измерительная техника №3, 2012 г. с.56-61), обладающих рекордными параметрами с точки зрения получения коэффициентов ослабления магнитного поля: 300 и более.
Однако и биофизические задачи усложняются. Известно, что геомагнитное поле подвержено флуктуациям (возмущениям), природой которых являются вспышки на Солнце, межпланетный ветер, фазы Луны, а также факторы техногенного характера.
Влияние их на результаты экспериментов в экранирующих камерах может быть губительным для объекта исследований, несмотря на то что оно, конечно, уменьшено за счет экранирующих свойств камеры. В связи с этим исследователями ставится задача обеспечить постоянство величины модуля индукции гипогеомагнитного поля во время эксперимента при возможных внешних магнитных возмущениях.
Традиционно проводится измерение модуля индукции гипогеомагнитного поля в замкнутых объемах (камеры, боксы), для чего используются стандартные магнитометры с одним измерительным зондом, например феррозондом. Сначала измеряют модуль вектора индукции поля вне объема, а затем внутри и контролируют величину модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в течение всего времени исследования влияния магнитного поля на биологические объекты.
Примером такой задачи является технология получения средства, обладающего гелиогеомагнитопротекторными свойствами по патенту РФ №2342149, МКИ А61К 33/00, опубл. 27.12.2008 г. Указанное средство подвергается длительной экспозиции (не менее 5 часов) в рабочем пространстве экранирующего устройства, обеспечивающего ослабление полного вектора геомагнитного поля не менее чем в 300 раз в сравнении с фоном. Время экспозиции не менее 5 часов не позволяет производить измерение и контроль коэффициента ослабления геомагнитного поля традиционным (разделенным во времени) способом, не позволяет учитывать влияние возмущений геомагнитного поля.
В большинстве известных устройств для обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей основной акцент делается на усовершенствовании конструктивных материалов. Традиционно для создания электромагнитного экрана или экранированного объема применяются материалы в виде стальных, медных, алюминиевых листов, фольги («Переносная экранированная камера» (патент РФ №2345512, МКИ H05K 9/00, опубл.27.01.2009); «Экранированный бокс с защищенным от внешнего электромагнитного воздействия внутренним объемом» (патент РФ №2402892, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.10.2010)).
Однако задача обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей не может решаться только в плане усовершенствования конструктивных материалов экранирующих камер.
Известно устройство для исследования влияния электромагнитных полей на биологические объекты (патент РФ №2454675, МКИ G01R 1/00, 5/00, опубл. 27.06.2012), содержащее сферический магнитный экран. Экран, изготовленный по изобретению, обеспечивает экранирование по постоянной и переменной составляющим магнитного поля.
Недостатком этого устройства является то, что в нем не решается задача измерения влияния внешнего магнитного поля на объекты, находящиеся внутри сферы. Кроме того, для доступа к исследуемому объекту, помещенному внутрь сферического экрана, требуется обеспечить его разъемность, что является трудноразрешимой технологической задачей. При этом обеспечение высоких экранирующих параметров экрана при этом представляется проблематичным.
Известно устройство измерения интенсивности и направления внешних магнитных полей, включающее источник тока и приборы регистрации на полупроводниковых элементах («Apparatus for measuring the intensity and direction of external magnetic fields including power supply and recording units having respective semiconductor devices», US Patent 4218652, August 19, 1980). Данное устройство предназначено для измерения только внешнего магнитного поля.
Известен способ определения оптимальных параметров магнитного поля для регулирования всхожести семян (патент РФ №2342658, G01N 33/487, G01N 27/74, А01С 1/00, опубл. 27.12.2008), по которому исследуемый объект подвергают одновременному воздействию магнитным полем с частотой 3-300 Гц, напряженностью 0,15-10 А/м и переменным электрическим полем с частотой 1-30 Гц и напряженностью 0,01-0,07 мВ/м.
Известно «Устройство стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме» (патент РФ №2274870, МКИ G01R 33/02, опубл. 20.04.2006) для защиты биологических и физических объектов от магнитных воздействий. Устройство создано на основе трехкомпонентного феррозондового стержневого магнитометра, причем рабочий объем является единым для размещения объекта воздействия и магнитометра.
Недостатком устройства является то, что на исследуемые объекты воздействует только магнитное поле от внутреннего источника, но не учитывается влияние внешнего магнитного поля.
ГОСТ Р 51724-2001 «Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное. Методы измерений и оценки соответствия уровней полей техническим требованиям и гигиеническим нормативам» регламентирует методы измерения магнитных полей, а также рекомендует серийные магнитометры для этой цели. С учетом требований и регламентов ГОСТа создаются современные устройства и разрабатываются средства определения уровней магнитного поля внутри помещений в зависимости от внешних источников электромагнитного поля. Измерение индукции магнитного поля проводят в контрольных точках в штатных климатических, механических и электромагнитных условиях эксплуатации контролируемых объектов и рабочего места (см. пп.6.2, 6.7, 7.5, В1). Однако ГОСТ не рассматривает задачу стабилизации модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей камере.
Известен «Экранированный бокс с защищенным от внешнего электромагнитного воздействия внутренним объемом» (патент РФ №2402892, МПК H05K 9/00, опубл. 27.10.2010), в котором полученные значения степени ослабления внешнего электромагнитного поля достигаются материалами стенок бокса. Проведенные измерения внешнего магнитного поля и магнитного поля внутри бокса осуществляются с помощью магнитометров.
Недостатком этого решения является то, что при определении защитных свойств бокса от воздействия магнитного поля не учитываются такие факторы, как влияние на объект магнитного поля Земли, флуктуации магнитного поля от космического воздействия, изменение магнитного поля внутри бокса в связи с изменением положения бокса относительно модуля вектора индукции внешнего магнитного поля, а также необходимость стабилизации магнитного поля на определенном (заданном) уровне при изменении положения бокса относительно внешнего магнитного поля.
Однако, несмотря на перечисленные недостатки, патент РФ №2402892 принят в качестве прототипа по способу и устройству стабилизации модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей камере по частичному сходству технических решений.
Задачей настоящего изобретения является контроль влияния на объект магнитного поля Земли, флуктуации магнитного поля от космического воздействия, изменений магнитного поля внутри камеры при изменении положения камеры относительно модуля вектора индукции внешнего магнитного поля путем обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере, который можно устанавливать в широком диапазоне в пределах ее конструктивных характеристик и поддерживать постоянным.
Задачей настоящего изобретения является также разработка устройства для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере, который можно устанавливать в широком диапазоне в пределах ее конструктивных характеристик и поддерживать постоянным.
Поставленная задача решается тем, что в способе обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере предлагается поворотом экранирующей цилиндрической камеры на угол, пропорциональный первому разностному сигналу, полученному при сравнении заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля с текущим значением модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, измеренным внутри экранирующей цилиндрической камеры в реальном времени, изменять текущее значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля до установления заданного уровня, после чего поддерживать текущее значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля на заданном уровне за счет поворота экранирующей цилиндрической камеры на угол, пропорциональный второму разностному сигналу, полученному при сравнении среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля в данной географической точке с текущим значением модуля вектора индукции внешнего магнитного поля, измеренного за пределами экранирующей цилиндрической камеры в реальном времени.
Поставленная задача решается также тем, что устройство для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере согласно изобретению содержит первый феррозондовый трехкомпонентный магнитометр гипогеомагнитного поля с датчиком, установленным внутри экранирующей камеры, и второй феррозондовый трехкомпонентный магнитометр геомагнитного поля с датчиком, установленным за пределами экранирующей камеры, при этом экранирующая камера установлена с возможностью поворота с помощью первого и второго серводвигателей, которые попеременно обеспечивают поворот экранирующей камеры, при этом управляющий вход первого серводвигателя соединен с управляющим выходом системы задания уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, соединенной информационным входом с информационным выходом первого магнитометра и управляющим входом - с первым выходом блока управления, а управляющий вход второго серводвигателя соединен с управляющим выходом системы автоматического регулирования, соединенной информационным входом с информационным выходом второго магнитометра и управляющим входом - со вторым выходом блока управления.
Причем система задания уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля может содержать блок ввода программы технологического процесса, первый цифровой мультиплексор, схему сравнения кодов, первый цифроаналоговым преобразователь и первый драйвер, система автоматического регулирования и стабилизации заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля может содержать блок ввода среднестатистического значения модуля вектора напряженности геомагнитного поля, второй цифровой мультиплексор, цифровой дискриминатор, второй цифроаналоговый преобразователь, интегрирующий усилитель и второй драйвер, а блок управления может содержать синхронизирующее устройство, соединенное входом с выходом таймера. При этом первый магнитометр соединен информационным выходом с первым информационным входом первого мультиплексора, а второй магнитометр соединен своим информационным выходом с первым информационным входом второго мультиплексора, блок ввода технологической программы выходом соединен со вторым информационным входом первого мультиплексора, выход последнего соединен с входом схемы сравнения кодов, выход «равно» которой соединен с входом «стоп» первого драйвера и входом инвертора, выход которого соединен с входом «стоп» второго драйвера, аналоговый вход управления первого драйвера соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя, вход которого соединен с управляющим выходом «больше-меньше» схемы сравнения кодов, первый драйвер своим выходом соединен с входом первого серводвигателя, соединенного механически с приводом поворотного стола экранирующей камеры, при этом блок ввода среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля своим выходом соединен со вторым информационным входом второго мультиплексора, выход которого, в свою очередь, соединен с информационным входом цифрового дискриминатора, выход последнего соединен с входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом интегрирующего усилителя, соединенного выходом с управляющим входом второго драйвера, соединенного выходом с входом второго серводвигателя, выход которого механически связан с приводом поворотного стола экранирующей камеры, синхронизирующее устройство своим первым выходом, являющимся первым выходом блока управления, соединено с управляющими входами блока ввода технологической программы, первого цифрового мультиплексора и схемы сравнения кодов, а своим вторым выходом, являющимся вторым выходом блока управления, соединено с управляющими входами блока ввода среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля, второго мультиплексора и цифрового дискриминатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
Фиг.1. Вектор индукции геомагнитного поля
в системе координат, связанной с магнитным меридианом (ось X) и вертикалью (Z).
Фиг.2. Зависимость значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в центре экранирующей камеры от угла поворота α.
Фиг.3. Зависимость значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля на краях рабочего объема экранирующей камеры от угла поворота α.
Фиг.4. Блок-схема устройства для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере.
Способ обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере осуществляется следующим образом. Сравнивают среднестатистическое значение модуля индукции геомагнитного поля в данной географической точке с текущими значениями модуля вектора индукции внешнего магнитного поля в реальном времени с получением разностного сигнала и определяют значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля и коэффициента ослабления геомагнитного поля. Поворачивая экранирующую цилиндрическую камеру, изменяют модуль вектора индукции гипогеомагнитного поля до заданного уровня, стабилизируют его значение на заданном уровне. В зависимости от технологического процесса, путем дополнительных поворотов камеры до заданных уровней устанавливают, автоматически стабилизируют и поддерживают очередные значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля. Разностный сигнал между среднестатистическим значением модуля вектора индукции геомагнитного поля в данной географической точке и значением модуля вектора индукции внешнего магнитного поля, измеренного в реальном времени, используют в качестве управляющего в системе автоматического регулирования и стабилизации гипогеомагнитного поля.
Контроль значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля гипогеомагнитного поля проводится в экранирующей цилиндрической камере, в исходном положении установленной произвольно на ложементы, юстируемого по азимуту, поворотного стола.
Предварительно юстируют камеру посредством, например, буссоли относительно направления вектора индукции внешнего геомагнитного поля.
Измеряют модуль вектора индукции гипогеомагнитного поля посредством датчика - измерительного зонда магнитометра, введенного в рабочий объем камеры.
Измеряют модуль вектора индукции внешнего магнитного поля вторым магнитометром, сравнивают полученное значение с предварительно записанным в память значением модуля вектора индукции внешнего магнитного поля, являющегося усредненным результатом многодневного мониторинга магнитного поля в данной географической точке (среднестатистическое значение модуля).
В зависимости от технологического процесса устанавливают, автоматически стабилизируют и поддерживают очередные значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля.
В результате сравнения среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля в данной географической точке со значениями модуля вектора индукции внешнего магнитного поля в реальном времени выделяют разностный сигнал между измеренным значением модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля и записанным в память требуемым значением этого модуля - заданным уровнем. Разностный сигнал используется в качестве управляющего в системе автоматического регулирования и стабилизации гипогеомагнитного поля. При этом управляющим воздействием является поворот камеры на необходимый угол между ее продольной осью и магнитным меридианом, а изменяемым параметром является коэффициент ослабления магнитного поля.
На стабильность заданного уровня влияют магнитные бури (в основном, как следствие солнечной активности). Поэтому в качестве опорной величины принимается среднестатистическое значение модуля вектора индукции внешнего магнитного поля и сравнивается со значением модуля вектора индукции внешнего магнитного поля в реальном времени (с помощью внешнего магнитометра), заданный уровень автоматически отслеживается и поддерживается системой автоматического регулирования. Разностный сигнал используется в качестве управляющего в системе автоматического регулирования и стабилизации таким образом, чтобы показания внутреннего магнитометра были постоянными и соответствовали заданному уровню.
Рассмотрим работоспособность предложенного способа на примере действующей технологической установки, используемой в биофизических исследованиях.
г⊥
г||
Для выбранной конфигурации экранирующей камеры с использованием ленты АМС 82КЗХСР определены поперечный и продольный коэффициенты ослабления геомагнитного поля К и К соответственно.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
Определено, что величина коэффициента ослабления геомагнитного поля зависит от ориентации продольной оси экрана Р относительно вектора геомагнитного поля
. Минимум модуля индукции гипогеомагнитного поля достигается, когда ось экрана Р перпендикулярна направлению вектора
.
Покажем, как изменяется поле внутри экранирующей камеры при расположении ее оси Р в горизонтальной плоскости и вращении экранирующей камеры вокруг вертикальной оси.
Элементы вектора индукции геомагнитного поля по данным магнитной обсерватории «Ключи» (10 км от Академгородка г. Новосибирск) показаны на фиг.1. Ось X направлена вдоль магнитного меридиана, ось Z - по вертикали. По данным магнитной обсерватории среднестатистическое значение модуля вектора индукции геомагнитного поля равен 60600 нТл (результат многолетнего мониторинга), а угол наклонения I вектора напряженности геомагнитного поля относительно оси Х равен 73,4°. Угол вращения экранирующей камеры α - это угол между продольной осью экранирующей камеры Р и осью Y. В первоначальном состоянии Р совмещается осью Y, т.е. α=0.
<mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>j</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
Пусть
,
,
единичные векторы вдоль осей X, Y, Z соответственно. Найдем компоненты вектора
в указанной системе координат.
Согласно фиг.2 можно записать:
X
0
B=BcosI
Y
B=0
Z′
0
B=BsinI
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>cos</mi><mi>I</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>sin</mi><mi>I</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
.
<mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover>
Положение оси Р экрана зададим единичным вектором
, направленным вдоль продольной оси, тогда
α - угол между осью экрана Р и осью Y.
Индукция поля, параллельного оси экрана, равна:
<mrow><msubsup><mi>B</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>B</mi><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow /></mrow><mrow><mo>|</mo><mrow /></mrow></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>B</mi><mo>⊥</mo><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mover accent="true"><mi>P</mi><mo>→</mo></mover>
Так как
, то индукция поля, перпендикулярного оси
, находится из соотношения:
||
⊥
Таким образом, В и В определены в зависимости от магнитного наклонения I и угла α поворота оси экранирующей камеры.
В общем случае индукция поля внутри экранирующей камеры определяется по формуле:
Используя соотношения 2, 3 и 4, получим для модуля индукции поля внутри камеры:
2
В нашем случае I=73,4°, тогда cosI=0,0816 и для расчета зависимости (5) можно использовать формулу:
г||
г⊥
г||
г⊥
г||
г⊥
Значения К и К определены при расчете действующей экранирующей камеры для ослабления геомагнитного поля, стенки которой выполнены из ленты АМС 82КЗХСР. В центре экрана они равны: К=99,3; К=436,1. На краях рабочего объема: К=48,6; К=377,4.
г||
г⊥
Э
Э
Используя эти значения К и К, можно рассчитать по формуле (6) значение модуля индукции магнитного поля В в центре экранирующей камеры и на краях ее рабочего объема в зависимости от угла α. Результаты этого расчета приведены в таблице 1, а на фиг.2 и 3 приведены графики зависимости В от угла α в центре и на краях рабочего объема экранирующей камеры.
Приведенные в таблице результаты расчета, выполненные на примере действующей экранирующей камеры в конкретной географической точке в определенных геомагнитных условиях, наглядно показывают перспективность предложенного способа стабилизации модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля путем управления коэффициентом ослабления геомагнитного поля при проведении биофизических экспериментов и в соответствующих технологических процессах.
Таблица
α (град)
В<sub>Э</sub> (нТл) (Центр)
В<sub>Э</sub> (нТл) (Край раб. объема)
0 (180)
138,9
160,6
10 (190)
142,2
171,9
20 (200)
150,5
200,9
30 (210)
162,8
238,7
40 (220)
176,6
278,1
50 (230)
190,2
314,6
60 (240)
202,2
345,5
70 (250)
211,4
368,8
80 (260)
217,3
383,1
90 (270)
219,2
387,9
100 (280)
217,3
383,1
110 (290)
211,4
368,8
120 (300)
202,2
345,5
130 (310)
190,2
314,6
140 (320)
176,6
278,1
150 (330)
162,8
238,7
160 (340)
150,5
200,9
170 (350)
142,2
171,9
180 (360)
138,9
160,6
На фигуре 4 приведено устройство для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит экранирующую цилиндрическую камеру 1, размещенную на поворотном столе 2, который изображен схематично (электромеханические муфты условно не показаны), первый цифровой феррозондовый магнитометр 3 гипогеомагнитного поля, первый трехкомпонентный феррозондовый датчик 4 магнитного поля, первый цифровой мультиплексор 5, второй цифровой феррозондовый магнитометр 6 геомагнитного поля, второй трехкомпонентный феррозондовый датчик 7 магнитного поля, второй цифровой мультиплексор 8, схему 9 сравнения кодов с оперативной памятью, первый драйвер 10, инвертор (НЕ) 11, второй драйвер 12, первый цифроаналоговый преобразователь 13, первый серводвигатель 14. Блок 15 ввода среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля, цифровой дискриминатор 16 с оперативной памятью, второй цифроаналоговый преобразователь 17, интегрирующий усилитель 18, второй серводвигатель 19, синхронизирующее устройство 20, таймер 21 и блок 22 ввода программы технологического процесса. При этом блок 22 ввода программы технологического процесса, первый цифровой мультиплексор 5, схема 9 сравнения кодов, первый цифроаналоговый преобразователь 13 и первый драйвер 10 образуют систему задания уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля (на фигурах не показана), соединенную информационным входом с информационным выходом первого магнитометра 3 и управляющим входом - с первым выходом блока управления (на фигурах не показан), являющимся первым выходом синхронизирующего устройства 20. В свою очередь, блок 15 ввода среднестатистического значения модуля вектора напряженности геомагнитного поля, второй цифровой мультиплексор 8, цифровой дискриминатор 16, второй цифроаналоговый преобразователь 17, интегрирующий усилитель 18 и второй драйвер 12 образуют систему автоматического регулирования и стабилизации заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля (на фигурах не показана), соединенную информационным входом с информационным выходом второго магнитометра 3 и управляющим входом - со вторым выходом блока управления, являющимся вторым выходом синхронизирующего устройства 20.
Ниже приведены назначение элементов устройства и их краткая характеристика (фиг.4).
Экранирующая цилиндрическая камера 1 конечной длины выполнена в виде многооболочечной конструкции, на каждую оболочку которой нанесена лента из аморфно-металлического сплава на основе кобальта (АМС), имеющая коэффициент ослабления модуля вектора напряженности геомагнитного поля не менее 600, при условии ориентации продольной оси камеры в азимутальной плоскости перпендикулярно направлению вектора геомагнитного поля.
Цилиндрическая экранирующая камера 1 закреплена на поворотном столе 2. В рабочую зону камеры 1 помещен первый трехкомпонентный феррозондовый датчик 4 магнитного поля, регистрирующий ортогональные составляющие вектора индукции магнитного поля. Гипогеомагнитное поле измеряется первым цифровым феррозондовым магнитометром 3 стандартного исполнения, имеющим чувствительность не хуже 1 нТл, предел допустимого значения основной относительной погрешности не хуже 1% со стандартизованным портом вывода-ввода данных.
Поворотный стол 2 имеет привод в виде первого и второго серводвигателей 14, 19 с первым и вторым драйверами 10, 12. Первый серводвигатель 14 предназначен для юстировки экранирующей камеры 1 в азимутальной плоскости в соответствии с программой эксперимента (технологического процесса). Второй серводвигатель 19 является исполнительным элементом системы автоматического регулирования, осуществляющим поворот экранирующей камеры 1 в азимутальной плоскости, компенсируя величину возмущения геомагнитного поля таким образом, чтобы модуль вектора индукции гипогеомагнитного поля в пределах погрешности был постоянным и равным заранее установленному значению. В качестве двигателей используются шаговые двигатели типа AD-200-32.
Инвертор 11 управляет первым и вторым драйверами 10, 12 по входам «стоп», при этом всегда один драйвер находится в активном состоянии, а другой - в пассивном.
Блок 15 ввода среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля предназначен для ввода через второй мультиплексор 8 в оперативную память цифрового дискриминатора 16 указанного выше значения по результатам многолетнего мониторинга состояния геомагнитного поля международной системой INTERMAGNET (геомагнитная обсерватория «Ключи» г. Новосибирск участвует в работе данной системы) либо по результатам собственных наблюдений в данной географической точке.
Синхронизирующее устройство 20 определяет алгоритм работы всех цифровых элементов, формируя при этом все необходимые команды.
Первый цифровой мультиплексор 5 по управляющим командам синхронизирующего устройства 20 направляет в оперативную память схемы 9 сравнения кодов значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, измеренные магнитометром 3, и программные значения этого модуля, записанные заранее в блок 22 ввода программы эксперимента (технологической программы).
Второй цифровой мультиплексор 8 по управляющим командам синхронизирующего устройства 20 направляет в оперативную память цифрового дискриминатора 16 значения модуля вектора индукции геомагнитного поля в реальном времени и значение среднестатистического модуля вектора индукции геомагнитного поля для данной географической точки, являющееся результатом многолетнего мониторинга геомагнитного поля, например, международной системой INTERMAGNET.
Схема 9 сравнения кодов снабжена оперативной памятью, имеет выход «равно», управляющий первым драйвером 10 по входу «стоп - пуск» и через инвертор 11 - вторым драйвером 12 по аналогичному входу. Кроме того, посредством выхода «больше - меньше» схемы формируется в цифровом формате сигнал рассогласования и его знак между значениями модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля и его программным значением, требуемым условиями эксперимента (технологии) в данный момент времени.
Первый цифроаналоговый преобразователь 13 - стандартного исполнения предназначен для преобразования цифрового сигнала рассогласования схемы 9 сравнения кодов в аналоговый сигнал управления первым драйвером 10.
Второй цифроаналоговый преобразователь 17 предназначен для преобразования в аналоговую форму цифрового сигнала цифрового дискриминатора 16, пропорционального модулю геомагнитных возмущений, в аналоговый сигнал управления углом поворота камеры.
Интегрирующий усилитель 18 предназначен для интегрирования управляющего напряжения постоянного тока с выхода второго цифроаналогового преобразователя 17 с целью придания дополнительной устойчивости системе автоматического регулирования.
Цифровой дискриминатор 16 снабжен оперативной памятью и предназначен для выделения по команде синхронизирующего устройства 20 сигнала рассогласования и его знака между среднестатистическим значением модуля вектора индукции геомагнитного поля и его значением, измеренным в реальном времени. Основная функция цифрового дискриминатора 16 - отследить все возможные в пределах погрешности возмущения геомагнитного поля, являющиеся следствием солнечной активности и иных факторов случайного характера, которые могут возникнуть в течение продолжительного времени эксперимента (технологического процесса).
Таймер 21 предназначен для временной привязки необходимых значений модуля вектора напряженности гипогеомагнитного поля к программе эксперимента (технологического процесса).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Для описания работы устройства принимаем исходные положения.
Коэффициент ослабления геомагнитного поля экранирующей камерой является конструкционным параметром и при ориентации продольной оси камеры перпендикулярно направлению вектора индукции геомагнитного поля имеет максимальное значение. Например, он равен 600.
Принимаем среднестатистическое значение модуля вектора индукции геомагнитного поля в данной географической точке примерно равным 60000 нТл.
В этом случае величина модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, естественно, равна 100 нТл.
Величина модуля вектора индукции возмущенного геомагнитного поля может достигать 70000 нТл.
Величина модуля вектора индукции геомагнитного поля, измеренная в реальном времени магнитометром, может лежать теоретически в диапазоне от 50000 нТл до 70000 нТл. Таким образом, диапазон регулирования следящей системой по возмущениям выбран ±10000 нТл относительно среднестатистического 60000 нТл.
Предлагаемая программа, в соответствии с которой устанавливаются заданные уровни модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере, зависит от технологического процесса, который обусловлен, например, характером влияния магнитного поля на биофизический образец, размещенный внутри экранирующей камеры.
Все значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля вводятся в блок ввода программы эксперимента (технологического процесса) посредством клавиатуры, встроенной в блок.
Значение модуля вектора индукции геомагнитного поля записано в блок ввода среднестатистического значения и является опорной величиной, в сравнении с которой выделяется амплитуда возмущений геомагнитного поля и их компенсация посредством системы автоматического регулирования.
При включении устройства первый драйвер 10 находится в пассивном состоянии, вал первого серводвигателя 14 посредством электромеханической муфты (на фиг.4 не показана) отключен от редуктора поворотного стола 2. Второй драйвер 12 находится в активном состоянии, вал второго серводвигателя 19 посредством электромеханической муфты (на фиг.4 не показана) подключен к редуктору поворотного стола 2. Второй магнитометр 6 посредством второго феррозондового датчика 7 магнитного поля регистрирует в реальном времени значение модуля вектора индукции геомагнитного поля, которое в цифровом формате по команде синхронизирующего устройства 20 через второй цифровой мультиплексор 8 вводится в оперативную память цифрового дискриминатора 16. С другой стороны, среднестатистическое значение модуля вектора индукции геомагнитного поля, характерное для географической точки проведения технологического процесса посредством блока 15 ввода среднестатистического значения модуля вектора индукции геомагнитного поля, по команде синхронизирующего устройства 20 через второй цифровой мультиплексор 8 вводится также в оперативную память цифрового дискриминатора 16. Цифровой дискриминатор 16 формирует в цифровом формате сигнал рассогласования, который преобразуется в аналоговый вид вторым цифроаналоговым преобразователем 17 и через интегрирующий усилитель 18 подается на управляющий вход второго драйвера 12. Второй драйвер 12 позиционирует второй серводвигатель 19 и, следовательно, через редуктор поворотный стол 2 с экранирующей камерой 1 в положении, когда, во-первых, вышеназванный сигнал рассогласования равен «0» и, во-вторых, показания первого магнитометра 3, регистрирующего в реальном времени величину модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, станут равны 100 нТл. Таким образом, на первом этапе производится оптимизация и нормирование устройства по коэффициенту ослабления геомагнитного поля и подготовка к работе следящей системы по возмущениям геомагнитного поля.
Далее, посредством клавиатуры блока 22 ввода программы технологического процесса в оперативную память блока вводятся требуемые задачей эксперимента значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля. Второй драйвер 12 переводится в пассивное состояние, а первый драйвер 10 - в активное. Вал второго серводвигателя 19 с помощью электромеханической муфты отключается от редуктора поворотного стола 2 экранирующей камеры 1, а вал первого серводвигателя 14 через свою электромеханическую муфту к нему подключается. Первый феррозондовый магнитометр 3 посредством феррозондового датчика 4, помещенного в рабочую зону экранирующей камеры 1, регистрирует в реальном времени значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, которое через первый цифровой мультиплексор 5 подается в оперативную память схемы 9 сравнения кодов, на второй вход которой таким же образом подается его программное значение.
Итак, исходно следящая система по возмущениям установила значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля равным 100 нТл. В то же время по программе технологического процесса в течение заданного промежутка времени биофизический объект должен выдерживаться в камере при значении этого модуля, равном, например, 200 нТл. Для установки этого значения по командам синхронизирующего устройства 20 и таймера 21 программное значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля из блока 22 ввода через первый цифровой мультиплексор 5 подается в оперативную память схемы 9 сравнения кодов. На выходе «больше-меньше» схемы 9 сравнения кодов формируется сигнал рассогласования в цифровом формате и код сигнала «больше» или «меньше». Данный сигнал преобразуется в аналоговый вид первым цифроаналоговым преобразователем 13 и через первый драйвер 10 управляет первым серводвигателем 14 таким образом, что в результате поворота им поворотного стола 2 с камерой 1 сигнал рассогласования уменьшается и в момент, когда значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, зафиксированное первым магнитометром, станет равным 200 нТл, схема сравнения кодов на своем выходе «равно» формирует сигнал окончания программной установки, при этом первый драйвер 10 переводится в пассивное состояние, а второй драйвер 12 - в активное. Электромеханические муфты переводятся в соответствующее состояние, отключая вал первого серводвигателя 14 от редуктора поворотного стола 2 камеры 1 и подключая к нему вал второго серводвигателя 12.
При работе следящей системы по возмущениям первый магнитометр 3 в реальном времени фиксирует в пределах своей погрешности текущее значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, равное 200 нТл.
По истечении заданного времени, зависящего от программы технологического процесса, синхронизирующее устройство 19 выдает команду на блок 22 ввода программы технологического процесса на установление другого значения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, например 170 нТл, переводя вновь первый драйвер 10, первый серводвигатель 14 с соответствующей электромеханической муфтой в активное состояние. При этом второй драйвер 12, второй серводвигатель 19 с соответствующей муфтой переводятся в пассивное состояние. Процесс повторяется, как описано ранее, до момента, когда первый магнитометр 3 зафиксирует значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля, равное 170 нТл. Далее вновь подключается сервосистема по возмущениям, а система программирования отключается.
В случае если во время проведения технологического процесса фиксируется факт геомагнитного возмущения различной этиологии, то цифровой дискриминатор 16 системы слежения сформирует в цифровом формате сигнал рассогласования, пропорциональный амплитуде этого возмущения и, воздействуя через второй цифроаналоговый преобразователь 17, интегрирующий усилитель 18, второй драйвер 12, второй серводвигатель 19, осуществит поворот поворотного стола 2 с экранирующей камерой 1, меняя при этом коэффициент ослабления геомагнитного поля в сторону его увеличения до момента полной, в пределах погрешности, компенсации действующего возмущения.