Комплекс лабораторных эталонов однородных магнитных полей и способ их автономной калибровки

Использование: для создания слабых, средних и сильных однородных магнитных полей в небольших объемах. Сущность изобретения заключается в том, что комплекс лабораторных эталонов однородных магнитных полей состоит из катушек возбуждения круговой формы для создания слабых, средних и сильных магнитных полей и общего магнитопровода броневого типа, при этом диэлектрические каркасы сменных катушек возбуждения унифицированы по внешним размерам и соразмерны с внутренними размерами магнитопровода броневого типа, магнитопровод броневого типа составной и состоит из прямого цилиндра с параллельными торцами и двух плоских фланцев, которые набраны из листовой электротехнической стали и скреплены сквозными заклепками и точечной сваркой по периметрам, которые монтируются сквозными винтами к цилиндру, верхний фланец легкосъемный и служит для загрузки-выгрузки проб, подвергаемых магнитной обработке, нижний фланец жестко смонтирован и через него проходят токовводы катушек возбуждения и датчика магнитного поля, круговые катушки возбуждения в диэлектрических каркасах изготовлены из медной проволоки прямоугольного сечения или медной ленты известным способом плотной укладки витков. Технический результат: обеспечение возможности создавать магнитные поля эталонной точности в небольших объемах порядка долей литра с гарантированной высокой однородностью. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области магнитных измерений.

Целью предлагаемого изобретения является создание комплекса лабораторных эталонов однородных магнитных полей в виде серии аналогичных устройств для создания слабых, средних и сильных однородных магнитных полей в небольших объемах порядка долей литра с гарантированной однородностью не хуже 0,1%.

Аналогом предполагаемого изобретения являются государственные эталоны магнитного поля.

Первый госэталон, см. Штамбергер Г.А. "Устройства для создания слабых постоянных магнитных полей". Новосибирск 1972. Сибнаука, с. 14-15. Он состоит из двух соосных систем катушек Гельмгельца, изготовленных на пирексовых каркасах и смонтированных на специальном поворотном столе из немагнитного металла. Углы поворота катушек контролируются под микроскопом. Уровень создаваемых магнитных полей единицы гаусс. Однородность магнитного поля 10-3%.

Второй госэталон, см. Физический энциклопедический словарь, М. 1984, с. 906, конструктивно представляет собой соленоид на кварцевом каркасе, снабжен системой компенсации магнитного поля Земли. Диапазон воспроизводимых магнитных полей 0,5-5 Гс. Однородность магнитного поля 10-5%.

Эти эталоны питаются сложным комплексом источников питания и предназначены для сугубо академических исследований.

Известны последние патенты на устройства для магнитометрических исследований:

US 6130534 - метод калибровки трехмерного магнитометра,

RU 138023 - устройство для калибровки трехмерного магнитометра,

CN 1030640040 - трехмерный магнитометр с фазовым синхронизатором.

Это те же сложные устройства для точных измерений трехмерных магнитных полей сравнимые с госэталонами, поэтому непригодны для лабораторных технологических измерений, к сожалению.

Прототипом предлагаемого изобретения является магнитная система микротрона, см. Капица С.П., Мелехин В.Н. "Наука" М. 1969, с. 107-115. Магнитная система микротрона - это система двух идентичных катушек на своих полюсах, параллельных друг другу и смонтированных на внешнем магнитопроводе. Рабочее магнитное поле между полюсами не менее 1000 Гс с точностью не хуже 0,1%.

Однако, микротрон работает при глубоком вакууме между полюсами, полюса не предназначены для загрузки проб для обработки магнитным полем. Его применение в качестве лабораторного эталона нерентабельно.

В кандидатских диссертациях по предпосевной магнитной обработке семян/ПМОС/ в качестве технологических устройств представлены: соленоиды, статеры трехфазных электродвигателей и даже электромагниты с явно неоднородными магнитными полями. Такие устройства создают достаточно сильные магнитные поля, сотни гаус в максимуме и единицы гаусс в минимуме. Семена при ПМОС проходят по разным траекториям, получают разные дозы воздействия и результаты экспериментов получаются невоспроизводимыми. Урожайность пшеницы колеблется от 5 до 35%. Этим агрономам-энтузиастам нужно помочь созданием систем лабораторных эталонов с однородными магнитными полями.

Автор-заявитель исходит из научной гипотезы об индукционном воздействии магнитного поля на семена. Действительно, семена диамагнитны и сами по себе на магнитное поле не реагируют. Индукционный прогрев семян обусловлен дозой /величиной, длительностью/ воздействия переменного во времени магнитного поля. При удачном подборе которой будет получаться оптимальный эффект ПМОС. Для этого нужно устройство по предлагаемому изобретению.

Автор-заявитель в этом вегетационном сезоне ведет эксперимент: тыквы, огурцы, дыни, арбузы. В стадии рассады все омагниченные семена дали всходы раньше неомагниченных контрольных на 2-3 дня раньше. Развитие растений из омагниченных семян идет заметно быстрее, за один и тот же период времени у них больше листьев, раньше появляются цветки и плодовые завязи. Причем заметна разница в зависимости от дозы магнитного воздействия. Итоговые результаты по урожайности будут в августе-сентябре.

Комплекс проблем составит аттестация изготовленного электромагнита и контроль его действия. Известен десяток разных способов измерения магнитного поля. Советская промышленность производила лишь тесламетры типа: Ф 4354, Ф4355, Ф4356; с. 484-485. Действие этих приборов основано на эффекте Холла: возникновение эдс в полупроводниках помещенных в магнитное поле при пропускании через них тока. Это электроны отклоняются поперечным внешним магнитным полем. Конструктивно датчик Холла представляет собой бросочек полупроводника, к которому с противоположных сторон подводится электрический ток, а в поперечном направлении возникает эдс пропорциональная величине магнитного поля. В целом это четырехжильный кабель, который нужно завести в исследуемое магнитное поле, да еще и просканировать по заданной траектории.

Диапазон измеряемых величин магнитных полей 100-10000 Гс при точности показаний 2,5-10%. Также приборы годятся только для предварительных измерений, но не для эталонных.

В качестве примера предполагаемое изобретение представлено на чертежах: фиг. 1; 2; 3; 4.

Фиг. 1 - вид устройства сверху.

Фиг. 2 - вид устройства в диаметральном сечении.

Фиг. 3 - диаметральное распределение магнитного поля создаваемого круговой катушкой.

Фиг. 4 - устройство измерительной катушки.

Устройство содержит круговую катушку прямоугольного сечения 1 на жестком диэлектрическом каркасе 2, которая помещена во внешний броневой магнитопровод 3, который состоит из цилиндра 4 и двух соразмерных фланцев: верхнего 5 и нижнего 6, которые соединяются винтами 7. Противостоящие плоскости фланцев параллельны и внутри катушки 1 являются полюсами магнитопровода. На нижнем полюсе лежит диэлектрический вкладыш 8, к которому диэлектрической шпилькой 9 жестко крепится измерительная катушка 10, представленная на фиг. 4. Через сквозные отверстия в нижнем фланце 6 проходят концы катушки 1 и измерительной катушки 10. Магнитопровод набран из пластин электротехнической стали, как показано на фиг. 2. Цилиндр 4 - это часть статора трехфазного асинхронного электродвигателя. А фланцы из пластин трансформатора, скрепленных тонкими заклепками.

Действует устройство следующим образом.

Каждый виток круговой катушки создает магнитное поле, величина которого в центре витка определяется формулой Лапласа, см. Савельев И.В. Курс общей физики. Наука. М. 1970, т. 2, с. 129.

где i ток в витке,

r радиус витка.

Совместное действие множества витков катушки 1 создает в центре магнитное поле, см, Карасик В.Р. “Физика и техника сильных магнитных полей” Наука. М. 1964, с. 10.

где j - плотность тока в катушке,

λ - плотность обмотки,

xi - половина длины катушки,

y1 - внутренний радиус катушки,

y2 - внешний радиус катушки.

Техническая реальность такова, что в одновитковой катушке можно создавать магнитное поле величиною единицы, а во многовитковой тысчи гаусс.

Для экспериментальной проверки предполагаемого изобретения были изготовлены три катушки под единый магнитопровод, но каждая в своем диэлектрическом каркасе.

Одновитковый круговой контур монтировался по медианной плоскости магнитопровода. Он предназначался для создания, слабых магнитных полей.

Катушка квадратного сечения предназначалась для создания средних магнитных полей. Для создания сильных магнитных полей предназначалась прямоугольная катушка. Естественно при этом уменьшался объем рабочего магнитного поля.

Внутренний диаметр магнитопровода 80 мм, межполюсный зазор 15 мм. Все катушки намотаны проводом диаметром 1,3 мм из меди. Квадратная катушка 50, а прямоугольная 150 витков.

Экспериментальное исследование структуры, магнитных полей в этих разных катушках проводилось по схеме, показанной на фиг. 5. Все три катушки включались последовательно и через амперметр ACT в режиме до 10 А подключались к понижающей обмотке трансформатора ОСМ 1,0 который через магнитный пускатель первой величины с кнопочным управлением "Пуск-Стоп" питался через ЛАТР-1.0 от сети 220 В.

Датчиком магнитного поля служила индукционная измерительная катушка диаметром 5 мм, 50 витков проводом ПЭЛ 008 мм, эдс которой измерялась вольтметром В3-55, с которого сигнал подавался на осциллограф С1-55. Измерения приводились при токе в обмотках 2 А.

Сначала исследовались катушки без магнитопровода.

Согласно теории электромагнетизма каждый элемент катушки при протекании электрического тока в нем охвачен самозамкнутым контуром магнитной линии. На фиг. 3 они показаны прерывистыми кругами со стрелками. Совместное действие всех магнитных линий в конкретной точке пространства создает результирующее магнитное поле. Для центров катушек оно рассчитывается по формулам 1 или 2.

Распределение магнитного поля в медианной плоскости катушки, т.е. по оси У показано параболической линией с минимумом на оси Х, т.е. оси симметрии катушки. При перемещении от центра к периферии уровень магнитного поля возрастает.

Снаружи катушки магнитное поле есть, но оно быстро убывает.

На фиг. 6, 7, 8 представлены структуры магнитных полей во всех трех катушках: одновитковой, квадратной и прямоугольной.

На фиг. 9 зависимость магнитного поля в катушке от величины протекающего тока представлена линией исходящей из начала координат под углом .

Вольтметр В3-55 на самом чувствительном диапазоне 0-1 милливольт не работал, поэтому графики представлены пунктиром.

Перемещение катушек во внешний магнитопровод привело к трехкратному увеличению уровня магнитного поля и оно стало однородным, т.е. равновеликим для всех радиусов межполюсного пространства. Это произошло за счет перемещения линий магнитного поля в магнитопровод, они стали короче. Второй фактор увеличения магнитного поля - это увеличение магнитной проницаемости материала магнитопровода. Для электротехнической стали она самая высокая из всех сталей.

Зависимость магнитного поля катушек, помещенных во внешний магнитопровод, представлена на фиг. 9 линией, исходящей из начала координат под углом . Это значит, магнитопровод трехкратно повышает эффективность питания электромагнита.

На фиг. 11 представлена фотография лабораторного эталона магнитного поля с прямоугольной катушкой с диаметром полюсов 22 мм при межполюсном зазоре 15 мм, рабочий объем 4,7 см3. При нормативно-допустимом токе в обмотке 4 А магнитное поле 750 Гс.

Ведется эксперимент агрономический с омагниченными семенами: тыквы, огурцов, дыни и арбузов. Растения омагниченных семян развиваются активнее неомагниченных контрольных. Ведется поиск оптимального режима предпосевной магнитной обработки семян.

В текущем сезоне еще можно омагнитить семена пшеницы и посеять в грунт на урожай.

Автономная калибровка эталонов производится в два этажа. Сначала рассчитывается уровень магнитного поля от тока возбуждения катушки эталона для его центра и строится график для предполагаемых режимов работы. Это значит определяется угол наклона этой линейной зависимости в координатах: электрический ток, магнитное поле, фиг. 9, угол

Под определенные уровни магнитного поля рассчитывается и изготовляется измерительная катушка известного типа, эдс которой определяется формулой, см. Электротехнический справочник МЭИ, Энергоиздат, 1981 с. 77.

где ƒ - частота переменного магнит поля,

Н - амплитуда переменного магнитного шля,

S - площадь витка измерительной катушки,

n - количество витков измерительной катушки.

В конечном виде получают прямую зависимость эдс от величины измеряемого магнитного поля. От деликатности изготовления этой измерительной катушки зависит точность всех последующих измерений.

Аттестованная таким образом измерительная катушка вставляется в межполюсной зазор эталона и по показаниям ее эдс строится экспериментальная зависимость магнитного поля в эталоне от тока возбуждения в его катушке. Эта значит, до фиг. 9 определить угол .

К сожалению в БСЭ нет статьи по измерительной катушке…

Экспериментальное исследование и опытная эксплуатация предполагаемого изобретения показали необходимость некоторых усовершенствований:

1. Обмотки надо изготовить из прямоугольной проволоки или ленты, чтобы увеличить плотность обмотки λ в формуле 2 и тем самым поднять уровень магнитного поля в эталоне.

2. Простую измерительную катушку надо заменить индукционным датчикам радиального распределения магнитного поля RU 2567398, тогда не нужно будет сканировать измерительную катушку.

Общий итог настающей заявки на предполагаемое изобретение состоит в следующем.

Устройство позволяет создавать магнитные поля эталонной точности не хуже 0,1%, которая гарантируется удачной конструкцией магнитопровода.

Устройство пригодно для создания больших объемов магнитных полей высокой однородности с высоким эффективным использованием электрической энергии.

Устройство пригодно для применения в точных технологических процессах.

Устройство калибруется автономно, что очень важно для периферийных центров.

1. Комплекс лабораторных эталонов однородных магнитных полей, состоящий из катушек возбуждения круговой формы для создания слабых, средних и сильных магнитных полей и общего магнитопровода броневого типа,

отличающийся тем, что диэлектрические каркасы сменных катушек возбуждения унифицированы по внешним размерам и соразмерны с внутренними размерами магнитопровода броневого типа, магнитопровод броневого типа составной и состоит из прямого цилиндра с параллельными торцами и двух плоских фланцев, которые набраны из листовой электротехнической стали и скреплены сквозными заклепками и точечной сваркой по периметрам, которые монтируются сквозными винтами к цилиндру, верхний фланец легкосъемный и служит для загрузки-выгрузки проб, подвергаемых магнитной обработке, нижний фланец жестко смонтирован и через него проходят токовводы катушек возбуждения и датчика магнитного поля, круговые катушки возбуждения в диэлектрических каркасах изготовлены из медной проволоки прямоугольного сечения или медной ленты известным способом плотной укладки витков.

2. Способ автономной калибровки комплекса лабораторных эталонов однородных магнитных полей, состоящий в помещении измерительной катушки в центр круговой катушки соосно и получении зависимости эдс измерительной катушки от расчетного значения магнитного поля от тока питания катушки возбуждения с последующим перемещением круговой катушки с измерительной катушкой во внешний броневой магнитопровод и получении новой зависимости эдс измерительной катушки от прежних токов катушки возбуждения, которая будет многократно круче предыдущей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при определении двух компонентов потерь в стали трансформатора. Техническим результатом является возможность определения потерь на вихревые токи и на гистерезис в трансформаторе на основании несложного измерения и расчета.

Изобретение относится к области производства магнитометров. Реализация способа обеспечивается использованием в составе рабочего места (РМ) электронной части магнитометров (ЭЧМ), изготовленных по единой документации.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для оценки магнитного поля остаточного намагничивания ферромагнитных объектов при воздействии механической нагрузки. Технический результат состоит в упрощении и повышении производительности, в повышении точности определения параметров магнитного поля остаточного намагничивания при использовании знакопеременного затухающего магнитного поля взамен механической нагрузки.

Группа изобретений относится к медицине. Система магнитно-резонансной томографии выполнена с возможностью определения того, находится ли представляющая интерес структура в заданной представляющей интерес области.

Группа изобретений относится к магнитоизмерительной технике и навигационному приборостроению. Особенностью навигационного магнитометра является дистанционное управление процессом формирования компенсационных поправок, осуществляемое по двухпроводной линии передачи, подключаемой к входам компенсатора помех.

Группа изобретений относится к области определения дипольного магнитного момента остаточной намагниченности и тензора магнитной поляризуемости слабо намагниченного объекта. Стенд для реализации способа определения дипольного магнитного момента остаточной намагниченности и тензора магнитной поляризуемости объекта содержит основание, платформу, измерительную систему и магнитометры, при этом объект зафиксирован на платформе, установленной на основании и расположенной в центре измерительной системы, образующей сферический объем радиуса R, а магнитометры установлены в измерительных точках поверхности сферического объема, при этом стенд для реализации способа содержит по меньшей мере один магнитометр, а основание выполнено в виде каркаса, на котором установлена платформа с помощью осей, на которых также установлена измерительная система, выполненная в виде рамы с расположенными на ней обоймами для крепления магнитометра, причем магнитный центр магнитометра при установке на раму совпадает с соответствующей измерительной точкой на поверхности сферического объема.

Группа изобретений относится к технологии радиочастотных катушек для использования в системе магнитно-резонансной визуализации. Радиочастотная катушка для использования в системе магнитно-резонансной визуализации содержит PCB катушки, множественные проводящие элементы, предоставленные на PCB катушки, множественные порты питания для возбуждения множественных проводящих элементов, по меньшей мере один соединительный порт и множественные линии питания, соединяющие по меньшей мере один соединительный порт с множественными портами питания, при этом множественные линии питания предоставляются как копланарные линии питания, которые размещены на PCB катушки.

Группа изобретений относится к автоматизированному неинвазивному определению оплодотворения яйца птицы. Способ включает следующие этапы: последовательную или параллельную конвейерную подачу множества яиц птицы в ЯМР-аппарат, подвергание яиц птицы ЯМР-измерению, например, для генерации трехмерного изображения ЯМР по меньшей мере части каждого из упомянутых яиц, причем упомянутое трехмерное изображение ЯМР имеет пространственное разрешение в по меньшей мере одном измерении 1,0 мм или менее, предпочтительно - 0,50 мм или менее, причем упомянутая часть яйца (14) включает зародышевый диск соответствующего яйца, определение прогноза оплодотворения согласно по меньшей мере одной из следующих двух процедур: (i) выявление по меньшей мере одного признака из каждого из упомянутых трехмерных изображений ЯМР и использование упомянутого по меньшей мере одного признака в классификаторе на основе признаков для определения прогноза оплодотворения, и (ii) использование алгоритма глубокого обучения и, в частности, алгоритма глубокого обучения на основе сверточных нейронных сетей, генеративно-состязательных сетей, рекуррентных нейронных сетей или нейронных сетей долгой краткосрочной памяти.

Использование: для измерения времени распространения колебаний в солнечной атмосфере. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют выявление доминирующих частот в колебаниях на разных высотных уровнях, последующую узкополосную фильтрацию сигналов на доминирующей частоте и измерение временной задержки между фильтрованными сигналами, принадлежащими разным высотам, при этом используют модуляцию солнечной вспышкой амплитуды колебаний, постоянно присутствующих в нижних слоях солнечной атмосферы, прослеживают образовавшиеся цуги сигналов повышенной амплитуды последовательно на каждом из высотных уровней и измеряют запаздывание по моментам пересечения сигналами в цугах нулевой линии, после чего среднее значение времени распространения определяют по заданному математическому выражению.

Группа изобретений относится к трехосевому магнитному датчику. Для трех осевых направлений, которые перпендикулярны друг другу в точке начала координат, которая является центральной точкой измерения, устройство измеряет для первого осевого направления магнитное поле в первом осевом направлении с использованием двух элементов, смещенных относительно точки начала координат, измеряет для второго осевого направления магнитное поле во втором осевом направлении через один элемент, размещенный на позиции точки начала координат, и измеряет для третьего осевого направления магнитное поле в третьем осевом направлении посредством объединения двух элементов для первого осевого направления и трех магнитомягких тел и посредством образования двух магнитных цепей по форме заводной рукояти, имеющих точечную симметрию.
Наверх