СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕРРОЗОНДА ПРИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
METHOD FOR DETERMINING A CHARACTERISTIC OF A FERROPROBE DURING TEMPERATURE TESTS

Область техники
Изобретение относится к области магнитных измерений. В частности, к области измерений индукции магнитного поля с помощью магнитометра, состоящего из феррозонда и электронной части магнитометра (ЭЧМ).
Уровень техники
Известные способы определения отклонений характеристик преобразования магнитометров с феррозондом [1, 2, 3] от характеристики идеального преобразования с применением меры магнитной индукции или колец Гельмгольца сложны и обладают высокой стоимостью. Преобладающая составляющая погрешности не эксклюзивного магнитометра определена погрешностью феррозонда. Далее соответственно используется термин феррозонд вместо понятия магнитометр в известных способах.
Известен способ определения параметров характеристики магнитометра [4], исключающий использование уникальной конструкции дорогостоящих меры магнитной индукции или колец Гельмгольца. Способ определения характеристики магнитометра, содержащий этапы: совмещение магниточувствительной оси (МЧО) феррозонда магнитометра с осью направления вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ) известного значения его модуля, определение результата преобразования этого значения магнитометром, а затем определение результатов преобразования последовательности дополнительных воздействующих на феррозонд образцовых значений магнитной индукции, формируемых последовательностью фиксированных поворотов МЧО феррозонда относительно оси направления вектора индукции МПЗ на известные углы в диапазоне их значений от нуля до 180°. Определение параметров характеристики осуществляется решением системы уравнений, образованной последовательными тактами преобразования воздействующих на феррозонд различных значений индукции магнитного поля (МП). Эти значения являются проекцией вектора индукции МПЗ на МЧО феррозонда при соответствующем ее наклоне относительно этого вектора. При исполнении блока ЭЧМ по методу прямого преобразования [5] способ может быть использован для определения параметров характеристики феррозонда.
Полезность и особенность данного способа обусловлена возможностью использования для его осуществления в качестве образцового источника равномерно распределенной в пространственном объеме индукции МПЗ.
Недостаток данного способа заключается в том, что он требует наличия поворотного устройства и отсутствия помех в МПЗ, вызываемых мощными источниками, отсутствия вблизи места испытаний больших ферромагнитных масс, искажающих МПЗ, и не позволяет проводить определение параметров характеристики феррозонда при его испытаниях на предельных рабочих температурах.
Известен способ определения параметров характеристики магнитометра [6], который наиболее близок по технической сущности к предлагаемому. При простом исключении в способе операции нагрева или охлаждения блока ЭЧМ, функционирующего по методу прямого преобразования, он может быть использован для определения параметров характеристики не эксклюзивного феррозонда. С учетом исключения указанной операции данный способ определения параметров характеристики феррозонда принят за прототип.
Указанный способ определения параметров характеристики феррозонда включает размещение источника образцовых значений магнитной индукции (ИОЗМИ) в нормальных климатических условиях. На первом этапе устанавливают феррозонд в зоне поля ИОЗМИ, подключают источник напряжения возбуждения к феррозонду, совмещают МЧО феррозонда с осью направления вектора индукции ИОЗМИ, устанавливают ряд значений вектора магнитной индукции ИОЗМИ заданной величины, измеряют соответствующие значения величин информационного параметра сигнала феррозонда измерительным устройством.
На втором этапе размещают феррозонд на приспособлении в термокамеру, устанавливают температуру в термокамере, равной предельной рабочей температуре феррозонда, выдерживают феррозонд с приспособлением заданное время в термокамере с предельной рабочей температурой феррозонда.
На третьем этапе за время не более 3 мин извлекают феррозонд с приспособлением из термокамеры и устанавливают их в поле ИОЗМИ, подключают источник напряжения возбуждения к феррозонду, совмещают МЧО феррозонда (имеющего температуру, близкую к предельной рабочей) с осью направления вектора индукции ИОЗМИ, устанавливают ряд значений вектора магнитной индукции ИОЗМИ заданной величины, измеряют соответствующие значения величин информационного параметра сигнала феррозонда измерительным устройством.
В качестве измерительного устройства используют, в частности, блок ЭЧМ. При этом блок ЭЧМ должен функционировать в режиме прямого преобразования сигнала феррозонда. Температурные уходы характеристики феррозонда определяют путем вычисления относительной погрешности по результатам измерений характеристик первого и третьего этапов соответствующих значений информационного параметра сигнала феррозонда.
Преимуществом данного способа является возможность определения характеристики феррозонда при предельных рабочих температурах.
Недостатки способа заключаются в необходимости обязательного использования уникальной конструкции дорогостоящего ИОЗМИ, в необходимости содержания и обслуживания ИОЗМИ, в сложности процедуры определения характеристики феррозонда, в ограничении времени до 3 мин при проведения измерений для определения характеристики феррозонда с предельной рабочей температурой, в опасности получения ожоговых травм обслуживающим персоналом, в появлении конденсата воды на элементах феррозонда при его быстром перемещении из термокамеры с предельно низкой температурой в помещение для измерений с нормальной температурой, в отсутствии учета смещения нуля феррозонда при вычислении относительной температурной погрешности, что ведет к низкой точности.
Целью предполагаемого изобретения является упрощение способа определения характеристики феррозонда при температурных испытаниях, обеспечение автоматизации, сокращение времени, повышение безопасности обслуживающего персона при определении характеристики феррозонда в условиях воздействия предельных рабочих температур.
Сущность изобретения
к
к
В предлагаемом способе использована аналогия создания током i компенсирующего МП, равного внешнему МП в сердечнике феррозонда при измерении внешнего МП по распространенному методу компенсации [5]. При этом внешнее измеряемое МП заменяется на тестовое МП в сердечнике феррозонда, создаваемое контрольным током i в обмотке феррозонда. Для исключения влияния внешних МП феррозонд устанавливают в магнитный экран.
к
2f0
к
к
к
2f0
к
Следствием формирования постоянной составляющей МП в сердечнике феррозонда током i является нелинейность альтернативной характеристики феррозонда: U(i)=const⋅μ(i)⋅i, где U - амплитуда напряжения второй гармоники в выходном сигнале феррозонда. При этом дифференциальная магнитная проницаемость сердечника феррозонда μ(i)≠const [5].
к_мах
к_мах
вн_мах
вн_мах
2f0
к
2f0
вн
вн
к
Максимальное значение тока i для определения характеристики феррозонда при температурных испытаниях выбирается таким образом, чтобы напряженность поля в сердечнике феррозонда удовлетворяла соотношению H(i) ≈ Н, где Н - максимальное значение напряженности МП рабочего диапазона феррозонда. В этом случае нелинейность альтернативной характеристики U(i) феррозонда (размещенного в магнитном экране) будет равна нелинейности характеристики феррозонда, определяемой по методу прямого измерения индукции внешнего МП: U ≈ const⋅B, где В - индукция внешнего МП. Результаты анализа зависимости μ(Н) по данным работы [5] показывают величину нелинейности зависимости μ(i)≤5%. Рассмотренная нелинейность не влияет на окончательный результат предлагаемого способа - вычисление относительной температурной погрешности ввиду относительности параметров каждого значения характеристик преобразования МП феррозондом при различных температурах.
Вследствие конструктивных и технологических ограничений характеристика реального феррозонда отличается от характеристики идеального феррозонда. Для широко распространенных не эксклюзивных феррозондов эти отличия заключаются в нелинейности, отклонении крутизны и смещении нуля.
1
2
2f0
1
к
2f0
2
к
2f0
1
к
2f0
2
к
1
2
2f0
к
2f0
1,2
к
Способ иллюстрируется качественными диаграммами, представленными на фиг. 1, где приведены диаграммы возможных характеристик реального феррозонда при различных значениях температуры T и Т. На фиг. 1 U(T, i) и U(T, i) - возможные характеристики феррозонда в магнитном экране, U(T, i)* и U(Т, i)* - нормированные характеристики того же феррозонда в магнитном экране с вычетом соответствующего температурам T и Т смещения нуля U(i=0). Конечный результат заключается в вычислении по нормированным характеристикам U(T; i)* относительной температурной погрешности на крайних значениях диапазона функционирования феррозонда (погрешности крутизны характеристики преобразования) и определении абсолютного значения смещения нуля феррозонда
2f0
к
2f0
1
к
2f0
2
к
ΔU(i=0)=U(T, i=0) - U(T, i=0).
к
к
2f0
к
K
к_мах
к
На первом этапе определения характеристики феррозонд размещают в магнитном экране, который (с феррозондом) помещают в термокамеру с нормальной температурой, подключают источник напряжения возбуждения к феррозонду, измерительное устройство и источник постоянного тока i - к сигнальной обмотке феррозонда, устанавливают ряд значений тока i и измеряют соответствующие напряжения информационного параметра сигнала феррозонда U (i). Ряд значений тока i представляет собой токи разного направления в диапазоне ± i. При этом одно значение в ряде токов равно i=0.
На втором этапе устанавливают температуру в термокамере равной предельной рабочей температуре феррозонда, выдерживают магнитный экран с феррозондом заданное время в термокамере с предельной рабочей температурой феррозонда.
к
2f0
к
На третьем этапе устанавливают тот же ряд значений тока i и измеряют соответствующие напряжения информационного параметра сигнала феррозонда U(i).
На четвертом этапе проводят нормировку результатов измерений первого и третьего этапов вычислением по формуле
2f0
1
к
2f0
1
к
2f0
1
к
2f0
2
к
2f0
2
к
2f0
2
к
U(T, i)*=U(T, i) - U(T, i=0) и U(T, i)*=U(T, i) - U(T, i=0).
к_мах
На пятом этапе проводят вычисления относительной температурной погрешности характеристики феррозонда для каждой полярности токов i по формуле:
к
2f0
к
1
2
Представленные действия поддаются автоматизации. Наиболее просто автоматизация осуществляется при использовании блока ЭЧМ, организованного для функционирования по методу компенсации внешнего измеряемого МП в сердечнике феррозонда, который содержит все необходимые для представленного способа измерительные устройства. При этом программное обеспечение микроконтроллера блока ЭЧМ должно содержать функцию реконфигурации метода компенсации внешнего измеряемого МП в сердечнике феррозонда на метод прямого измерения индукции внешнего МП. Реконфигурация может быть осуществлена подачей команды с персонального компьютера. По программе персонального компьютера осуществляются циклы изменения тока i и измерение U(i) с формированием файлов для температур T и Т, по окончании формирования которых автоматически определяется относительная температурная погрешность феррозонда по формуле (1).
Предлагаемое изобретение определения характеристики феррозонда, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике температурных испытаний феррозондов.
Литература
1. Афанасьев Ю.В., Студентов Н.В., Хорев В.Н. и др. Средства измерений параметров магнитного поля. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979.
2. Соборов Г.И. Разработка и исследование бортовых трехкомпонентных феррозондовых магнитометров моноблочного типа с жестко связанными осями. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Московский энергетический институт (технический университет). Москва, 2003.
3. Способ определения параметров градуировочной характеристики магнитометра. Патент РФ 2386141. МПК G01R 35/00, G01R 33/02, 2008 г.
4. Способ определения параметров градуировочной характеристики магнитометра. Патент РФ 2433421, МПК G01R 35/00, G01R 33/02, 2011 г.
5. Афанасьев Ю. Феррозонды. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Магнитометр аналоговый МА-5 Технические условия КМИВ.411172.004 ТУ, 2000 г.