Способ производственного контроля характеристики преобразования феррозонда
METHOD OF PRODUCTION CONTROL OF FERROPROBE CONVERSION CHARACTERISTIC

Область применения
Способ предназначен для производственного контроля характеристики преобразования феррозондом проекции вектора магнитного поля (МП) Земли при напряженности измеряемого МП много меньше напряженности насыщения материала сердечника феррозонда [1]. В качестве информационного параметра рассматривается амплитуда напряжения второй гармоники в ЭДС (электродвижущая сила) сигнальной обмотки феррозонда.
Уровень техники
Известен способ контроля характеристики феррозонда [2], который заключается в соосной установке двух магнитов на расстоянии 40 см, между которыми соосно устанавливают феррозонд. Щуп эталонного магнитометра устанавливают в непосредственно близости к контролируемому феррозонду. Контролируют показания эталонного магнитометра и перемещают магниты до получения нулевого значения индукции по показаниям эталонного магнитометра. Подают электропитание на обмотку возбуждения контролируемого феррозонда. Перемещают один магнит ближе к контролируемому феррозонду до показаний эталонного магнитометра равного 70 мкТл. Вольтметром контролируют среднее значение ЭДС в сигнальной обмотке феррозонда. Сравнивают измеренное значение с заданным по документации значением 200 мВ, которое должно быть не менее. Измеряют частоту сигнала сигнальной обмотки. Сравнивают измеренное значение с заданным по документации значением. Возвращают первый магнит в исходное положение - нулевое значение индукции по показаниям эталонного магнитометра. Повторяют описанную процедуру с перемещением второго магнита.
Способ позволяет контролировать наличие функционирования феррозонда. Недостатком способа является низкая информативность, которая заключается в отсутствии данных о значении крутизны характеристики преобразования МП в электрический сигнал, в отсутствии данных о смещении нуля феррозонда.
1
к1
2
к2
к1
3
к
к1
к2
к
к
к
к
Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в работе [3], который и выбран в качестве прототипа. Способ предназначен для контроля крутизны характеристики преобразования магнитометром проекции вектора МП Земли на его ось. При этом магнитометр с феррозондом в качестве датчика МП выполнен по структурной схеме с отрицательной обратной связью (метод компенсации МП в сердечнике феррозонда). Сущность способа состоит в том, что в обычном режиме функционирования магнитометра измеряют величину параметра Р внешнего МП. В режиме контроля характеристики преобразования в обмотку (например, сигнальную) феррозонда дополнительно к току компенсации МП подают нормированный тестовый постоянный ток i одной полярности, проводят второе измерение параметра Р МП, изменяют направление нормированного тестового постоянного тока i=-i, проводят третье измерение параметра Р МП, где Δi=i-i=2i. Вычисляют крутизну характеристики преобразования МП магнитометра в виде отношения S=ΔP(Δi)/Δi, где использована информационная часть вычисления прототипа в обобщенном виде - зависимость крутизны характеристики от аргумента i.
Способ по исходному назначению предназначен для контроля крутизны характеристики преобразования магнитометра. В условиях производства при постоянной величине коэффициента преобразования электронной части магнитометра способ обеспечивает контроль крутизны преобразования различных феррозондов при нормальных климатических условиях. Например, в рабочем месте контроля феррозондов используется один и тот же блок электронной части магнитометра, выполненный на современной элементной базе с достаточной разрядностью АЦП (аналого-цифровой преобразователь), ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) и погрешностью прочих элементов до 0,1%, что существенно меньше погрешностей феррозондов, определяемых технологическими причинами и свойствами материалов.
Недостатком способа является недостаточная информативность, заключающаяся в отсутствии информации о величине смещения нуля феррозонда. Кроме того, способ не позволяет проводить производственные температурные испытания в части стабильности характеристики конкретного феррозонда по преобразованию МП вследствие компенсации ее температурных изменений в магнитометре, организованного по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда.
Цель изобретения
Целью изобретения является повышение информативности и расширение функциональных возможностей. Повышение информативности обеспечивается контролем смещения нуля феррозонда путем его вычисления по результатам измерений амплитуд напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, при одном положении феррозонда в горизонтальной плоскости и противоположном - на 180°. Расширение функциональных возможностей, например, температурные испытания феррозонда, обеспечивается контролем его характеристик непосредственно по прямым измерениям основного параметра - амплитуды напряжения второй гармоники выходной ЭДС.
Сущность изобретения
m
Способ предполагает в производственном рабочем месте контроля параметров феррозонда использование, например, селективного вольтметра для измерения амплитуды Е напряжения второй гармоники в ЭДС феррозонда, высокостабильного генератора возбуждения феррозонда и регулируемого источника тестового постоянного тока. Возможно, также использование электронной части магнитометра (организованного по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда с использованием микроконтроллера) с соответствующим изменением ее программного обеспечения. В зоне размещения феррозонда должны отсутствовать источники МП, ферромагнитные массы. При наличии переменных индустриальных помех в МП, результаты по предлагаемому способу могут быть подвергнуты статистической обработке.
m
0
m
0
m
Из работы [4], с учетом принятых в практике [5] упрощений, при стабильных частоте и амплитуде напряжения возбуждения феррозонда уравнение для амплитуды второй гармоники имеет вид:  где Е - амплитуда второй гармоники выходной ЭДС, K - коэффициент преобразования феррозонда (крутизна характеристики феррозонда с размерностью В/Э), Н - скалярная величина проекции вектора напряженности внешнего (измеряемого) МП на ось феррозонда,  - статическая ошибка феррозонда (смещение нуля - значение Е при H=0). Поскольку напряженность  величина векторная, то можно принять, что приведенное выше выражение определяет величину Е при совпадении проекции вектора напряженности внешнего МП с направлением оси феррозонда. При их противоположном направлении получаем . Отсюда сущность способа измерения величины напряжения смещения нуля феррозонда  заключается в следующем.
m
m
max1
max1
m
m
max2
0
В сердечнике феррозонда создают напряженность поля возбуждения. Феррозонд размещают горизонтально в помещении с магнитным полем Земли, вращают феррозонд вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости. При этом измеряют амплитуду Е. Вращение феррозонда осуществляют до получения максимального значения измеряемой амплитуды Е=Е напряжения второй гармоники в ЭДС сигнальной обмотки феррозонда. Запоминают результат первого измерения E. Контролируя величину амплитуды Е напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, вращают феррозонд вокруг вертикальной оси на 180° до получения максимального значения измеряемой амплитуды Е=Е напряжения второй гармоники ЭДС в сигнальной обмотке феррозонда. При этом  в одном случае и  в другом случае, где i=1 или 2, a j=2 или 1 соответственно в зависимости от фазового соотношения сигналов К⋅H и амплитуды  второй гармоники ЭДС феррозонда. Функция модуля |…| введена с учетом применения, в частности, селективного вольтметра. Таким образом,  где знак определяет полярность смещения нуля феррозонда. Вычисленное значение  сравнивают с первым производственным допуском по смещению нуля:  - границы допустимых отклонений.
к
m
к
к
к0
m
к0
к0
m
к
к
к
s
max2
к0
1
2
1
2
В обмотку феррозонда подают тестовый постоянный ток i. Контролируя величину амплитуды Е напряжения второй гармоники выходной ЭДС феррозонда, изменяют тестовый постоянный ток i в обмотке феррозонда (например, в сигнальной) от нулевого значения до i=i при котором значение амплитуды напряжения второй гармоники в выходной ЭДС феррозонда Е|i=0. Запоминают значение тестового постоянного тока i. Заметим, что зависимость E(i) имеет нелинейность, величина которой определяется соотношением напряженности H(i), и напряженности насыщения H материала сердечника феррозонда. Крутизну характеристики преобразования МП феррозондом вычисляют по формуле S=Е/i с размерностью В/мА. Вычисленное значение сравнивают со вторым производственным допуском по крутизне характеристики преобразования МП феррозондом: S<S<S, где S, S - границы допустимых отклонений. При соответствии результатов сравнения производственным допускам феррозонд передают в эксплуатацию.
m
к
m
к
к0
s
Физические основы нелинейности зависимости E(i) аналогичны известным причинам, приводящим к нелинейности при измерении параметра МП магнитометром по методу прямого преобразования (непосредственное измерение амплитуды Е феррозонда). При H(i)/H≤0,1 величина нелинейности при расчете с использованием arctg аппроксимации петли гистерезиса материала сердечника феррозонда составляет величину ≤ 3%. Это отличие от линейности не препятствует разбраковке феррозондов при их изготовлении с допуском ΔS=±15…30% и более. Отличие S от феррозонда к феррозонду при их изготовлении в пределах допуска ΔS устраняется на этапе регулировки магнитометра, например, с использованием прецизионных методов контроля [6]. При необходимости рассмотренная нелинейность характеристики феррозонда при их разбраковке может быть учтена как систематическая погрешность.
Технический результат
Применение способа в производственных условиях повышает информативность определения параметров контроля характеристики преобразования МП феррозондом. При этом обеспечивается возможность контроля рассмотренных параметров феррозонда без применения дорогостоящих и сложных в эксплуатации стандартного эталона МП или колец Гельмгольца, что существенно упрощает процедуру контроля. Другим положительным свойством способа является возможность анализа (контроля) температурной погрешности непосредственно характеристики преобразования МП феррозондом, например, при нагреве феррозонда термофеном или аналогично работе [6] с использованием термоинерционных свойств.
Источники информации
1. Афанасьев Ю. Феррозонды. Л.: Энергия, 1969.
2. ДАТЧИК ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ДФ-002 Инструкция по контролю параметров ИНАЯ.411511.002 И22, Санкт-Петербург, 2018 г.
3. Феррозондовый магнитометр. Авторское свидетельство №930176, MПK G01R 33/02, 1982.
4. Афанасьев Ю. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
5. Способ калибровки электронного магнитного компаса. Патент РФ №2572109, МПК G01С 17/38, 2015 г.
6. Магнитометр аналоговый МА-5, Технические условия КМИВ.411172.004 ТУ, г. Раменское, 2000 г.