УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И КОМПЕНСАЦИИ ЛОКАЛЬНОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к экспериментальной технике и может быть использована в биофизических, геофизических, экологических экспериментах для компенсации низкочастотного магнитного поля и генерации магнитного поля с заданными параметрами.
-12
При исследовании влияния магнитных полей, соизмеримых с естественным геомагнитным полем, на биологические системы часто требуется в пределах рабочего объема компенсировать внешнее локальное магнитное поле (геомагнитное поле и низкочастотные бытовые магнитные поля) и создать магнитное поле с заданными параметрами. Причем исследования показывают, что биологической активностью могут обладать сверхслабые поля с величиной индукции до 10 Тесла (Тл.) (Белова Н.А., Ермаков A.M., Знобищева А.В., Сребницкая Л.К., Леднев В.В. «Влияние крайне слабых переменных магнитных полей на регенерацию планарий и гравитационную реакцию растений» Биофизика, 2010, т.55, №4, С.704-709; Леднев В.В., Белова Н.А., Рождественская З.Е., Тирас Х.П. «Биоэффекты слабых переменных магнитных полей и биологические предвестники землетрясений» Геофизические процессы и биосфера, 2003, т.2, №1, С.3-11). Для исследования биологических эффектов таких полей необходимо компенсировать сверхслабые вариации локального магнитного поля.
Существуют устройства для компенсации локального магнитного поля посредством генерации дополнительного магнитного поля, противоположного внешнему полю (патент PL 150066, 1990 г., патент РФ №2274870, 2006 г.). Такие устройства снабжены тремя магнитометрами, измеряющими магнитное поле в широтном, меридиональном и вертикальном направлении. Сигналы с магнитометров, пропорциональные измеренным компонентам внешнего магнитного поля, поступают на источники тока, соединенные с тремя парами взаимно ортогональных колец Гельмгольца (патент US 5032792, 1991 г.) которые расположены в тех же направлениях, что и магнитометры. При прохождении электрического тока по обмоткам катушек, в центре каждой пары колец Гельмгольца создается довольно однородное магнитное поле, обратное локальному магнитному полю в данном направлении (Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Хорев В.Н., Чечурина Е.Н., Щелкин А.П. «Средства измерений параметров магнитного поля.» 1979. Л.: Энергия, 320 с.). Однако, указанные устройства не способны генерировать магнитные поля с параметрами, заданными пользователем.
Существует также устройство для воздействия низкочастотными магнитными и электрическими полями на проводящие структуры (патент US 5725558, 1998 г.). Это устройство способно компенсировать внешнее локальное низкочастотное магнитное поле в ограниченном объеме и создавать в этом объеме дополнительное низкочастотное магнитное поле с заданными параметрами. Устройство содержит взаимно ортогональные датчики, регистрирующие три компоненты магнитного поля, мультиплексор, частотные фильтры, микроконтроллер, генератор управляемый напряжением, аттенюаторы и три взаимно ортогональных пары колец Гельмгольца. Компенсация внешнего низкочастотного магнитного поля происходит путем генерации дополнительного магнитного поля, противоположного внешнему. При этом предусматривается возможность посредством микроконтроллера модифицировать сигналы, поступающие с датчиков, регистрирующих три компоненты магнитного поля, и транслировать на входы колец Гельмгольца избыточное напряжение таким образом, что помимо компенсации внешних низкочастотных магнитных полей внутри рабочего объема происходит генерация заданного пользователем магнитного поля.
-9
-12
Основным недостатком известного устройства является то, что конструктивные особенности, а также использование одного и того же сигнала одновременно для компенсации внешнего локального магнитного поля и генерации магнитного поля с заданными параметрами ограничивают генерируемое магнитное поле по форме сигнала (синусоида), частоте (не более 30 Гц) и амплитуде (в качестве датчиков, регистрирующих внешнее локальное магнитное поле и его вариации, предусмотрено использование феррозондовых магнитометров и датчиков Холла, которые не регистрируют сверхслабые флуктуации в диапазоне 10-10 Тл).
-12
-4
Задачей предлагаемой полезной модели является генерация в рабочем объеме широкого спектра заданных пользователем постоянных и переменных магнитных полей, параметры которых (направление, изменение направления, частота, амплитуда, форма сигнала) определяются конструктивными особенностями используемых цифро-аналоговых преобразователей и колец Гельмгольца, а также компенсация локального низкочастотного магнитного поля и его флуктуации в диапазоне частот от 0 до 30 Гц и амплитуд от 10 до 10 Тл. При этом процессы генерации заданных пользователем магнитных полей и компенсации локального низкочастотного магнитного поля и его флуктуаций могут проходить одновременно или по отдельности, а управление работой устройства может освоить пользователь персонального компьютера.
-9
-12
Поставленная задача решается путем разделения элементов регистрации и компенсации локального низкочастотного магнитного поля и элементов, отвечающих за генерацию магнитных полей, т.е. использованием отдельных каналов обработки сигналов и различных систем колец Гельмгольца для процесса компенсации локального низкочастотного магнитного поля и процесса генерации магнитных полей; одновременным использованием в качестве регистратора внешнего локального МП трехкомпонентного феррозондового магнитометра с чувствительностью 10 и трехкомпонентного индукционного магнитометра с чувствительностью 10 Тл; использованием программного интерфейса для управления работой устройства.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
-9
-12
Устройство собрано на базе компьютера (3) и состоит из следующих модулей: модуль регистрации трех компонент (в широтном, меридиональном и вертикальном направлении) локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1), модуль генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5), модуль аналого-цифрового (2) и цифро-аналогового (4) преобразователей сигналов. Модуль регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций представляет собой комбинацию двух трехкомпонентных магнитометров: феррозондового с чувствительностью до 10 Тл по каждой компоненте и индукционного с чувствительностью до 10 Тл по каждой компоненте, и служит для формирования аналоговых сигналов, пропорциональных величине индукции локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций. Модуль генерации-компенсации трех компонент магнитных полей (5) представляет собой две системы колец Гельмгольца, имеющих одинаковые геометрические размеры и общий центр. Одна система используется для компенсации локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций в реальном времени, другая - для создания магнитных полей с заданными параметрами (направление, амплитуда, частота, форма сигнала). Каждая система состоит из трех пар взаимно ортогональных колец Гельмгольца. Пары колец обеих систем и датчики модуля регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций ориентированы в широтном, меридиональном (в соответствии с направлением сторон света) и вертикальном направлении. В зависимости от задач исследований, к устройству могут быть подключены дополнительные модули генерации-компенсации. Модуль аналого-цифрового (2) и цифро-аналогового (4) преобразователей сигналов предназначен для согласования работы модуля регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1) и модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5). Устройство оборудовано контрольным феррозондовым датчиком магнитного поля (8), который размещается в центре модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) и служит для регистрации магнитного поля внутри рабочего объема при проведении экспериментов или при калибровке устройства. Управление экспериментальным устройством, ввод-вывод данных о генерируемых и регистрируемых полях осуществляется при помощи компьютера (3) со специальным программным обеспечением, разработанным коллективом авторов.
-12
-4
Достижение заявленного технического результата, а именно: генерация в рабочем объеме заданных пользователем магнитных полей, параметры которых определяются конструктивными особенностями используемых цифро-аналоговых преобразователей и колец Гельмгольца, и одновременная компенсация локального низкочастотного магнитного поля и его флуктуаций в диапазоне частот от 0 до 30 Гц и амплитуд от 10 до 10 Тл происходит за счет технических решений отсутствующих у описанных выше устройств, а именно, благодаря использованию для компенсации локального низкочастотного магнитного поля и для генерации магнитных полей независимых каналов обработки сигналов и различных систем колец Гельмгольца, а также благодаря одновременному использованию феррозондовых и индукционных магнитометров для регистрации вариаций локального низкочастотного магнитного поля.
Устройство для генерации магнитных полей и компенсации локального низкочастотного магнитного поля работает следующим образом. Модуль регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1) и модуль генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) размещаются строго в соответствии с направлением вертикали и сторон света. Модуль генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) располагают на таком расстоянии от модуля регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1), чтобы исключить влияние одного на другое. Объект исследований (7) располагается непосредственно в центре модуля генерации-компенсации трех компонент низкочастотных магнитных полей (5). Модуль регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1) формирует аналоговые сигналы, соответствующие изменениям локального низкочастотного магнитного поля в направлении широтной, меридиональной и вертикальной компоненты. Эти сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь (2), преобразуются в двоичный цифровой код и поступают в компьютер (3). На компьютере происходит обработка сигналов и формирование трехкомпонентных сигналов для компенсации локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций в направлении широтной, меридиональной и вертикальной компоненты. Сигналы транслируются на 3 канала цифро-аналогового преобразователя (4) и преобразуются в электрическое напряжение, которое подается на обмотки компенсации в модуле генерации-компенсации трех компонент низкочастотных магнитных полей (5). Электрический ток в кольцах Гельмгольца генерирует магнитное поле, соответствующее локальному низкочастотному магнитному полю и направленное противоположно для каждой компоненты, что в соответствии с принципом суперпозиции магнитных полей приводит к компенсации локального низкочастотного магнитного поля в рабочем объеме модуля генерации-компенсации трех компонент низкочастотных магнитных полей.
Пользователь (6) в программной среде компьютера (3) задает параметры магнитного поля, которое будет генерироваться в широтном, меридиональном и вертикальном направлении. Заданные сигналы транслируются на 3 канала высокоразрядного цифро-аналогового преобразователя (4) и преобразуются в электрическое напряжение, которое подается на обмотки генерации в модуле генерации-компенсации трех компонент низкочастотных магнитных полей (5). Электрический ток в кольцах Гельмгольца генерирует трехкомпонентное магнитное поле в соответствии с заданным сигналом.
Характеристики компьютера, трехкомпонентного феррозондового магнитометра, трехкомпонентного индукционного магнитометра, системы колец Гельмгольца, цифро-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей зависят от поставленной задачи, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия.
-9
-12
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого устройства для генерации магнитных полей и компенсации локального низкочастотного магнитного поля, блок-схема которого приведена на фиг.1. В качестве модуля регистрации трех компонент внешнего магнитного поля и его вариаций использовали трехкомпонентный феррозондовый магнитометр НВ0302А (чувствительность 10 Тл, охватывает диапазон частот естественных флуктуации геомагнитного поля 0-0.01 Гц, производитель - НПО «ЭНТ», Санкт-Петербург) и трехкомпонентный индукционный магнитометр (чувствительность 10 Тл, охватывает диапазон частот естественных флуктуации ГМП 0.01-100 Гц). Трехкомпонентный индукционный магнитометр собран авторами и представляет собой катушку индуктивности, содержащую 30000 витков медного провода диаметром 0.12 мм, намотанную на каркас из оргстекла с сердечником длиной 1 метр из магнитномягкого материала ГМ14С (НПП «Гаммамет», Екатеринбург), с магнитной проницаемостью (µ) 100000. Для геомагнитного поля флуктуации с частотой выше 0.01 Гц обладают сравнительно малой интенсивностью, поэтому применение данных магнитометров с обозначенными параметрами позволяет полностью отследить его низкочастотные вариации. Были использованы цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи в составе крейтовой системы, укомплектованной устройствами LTR11, LTR22 и LTR34-4 (ЗАО «Л-кард», Москва). Модуль генерации-компенсации трех компонент низкочастотных магнитных полей был собран авторами, он представляет собой куб, на гранях которого размещены кольца Гельмгольца диаметром 0.5 м. Каждое кольцо имеет две обмотки по 700 витков медного провода диаметром 0.2 мм. Одна обмотка используется для генерации полей, компенсирующих внешнее локальное магнитное поле и его вариации, другая - для генерации полей, заданных пользователем). Был использован персональный компьютер с двухядерным процессором Intel 2.7 частотой ГГц и операционной системой Windows XP. Для визуализации процессов регистрации, компенсации и генерации низкочастотных магнитных полей использовалась программа PowerGraph 3.3 (ООО «ДИСофт», Москва).
-12
Результаты испытаний устройства подтвердили, что за счет разделения элементов регистрации и компенсации локального низкочастотного магнитного поля и элементов, отвечающих за генерацию магнитных полей, а также за счет использования индукционных датчиков переменного магнитного поля, реализуется возможность генерации в рабочем объеме широкого спектра заданных пользователем постоянных и переменных магнитных полей по направлению, изменению направления, частоте, амплитуде и форме сигнала и значительно увеличивается чувствительность системы по отношению к компенсируемому внешнему локальному полю (до 10 Тл).