Устройство для создания магнитного поля с постоянным градиентом напряженности

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ПОСТОЯННЫМ ГРАДИЕНТОМ НАПРЯЖЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Устройство для создания магнитного поля с постоянным градиентом напряженности,содержащее два постоянных симметричных магнита, выполненных в виде противоположно намагниченных дисков заданной толщины , установленных с зазором соосно друг другу,а также подвижный датчик Холла, отличающееся тем, что магниты выполнены из материала с высокой удельной магнитной энергией, например изили , толщиной, Фиг. 1 17808 1 2013.12.30 равной их радиусу, и подвижными в осевом направлении с возможностью изменения и фиксации величины указанного зазора в пределах от 0,5 до ,5, кромки ближайших одноименных полюсов магнитов сточены под углом 45 к их оси, а датчик Холла установлен с возможностью радиального перемещения в фиксированной плоскости, лежащей при каждом положении магнитов посередине указанного зазора, и измерения радиальной составляющей напряженности магнитного поля в каждой точке его расположения в соответствии с ориентацией пластины датчика Холла. Заявляемое изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к метрологии магнитных измерений, и может быть использовано для настройки и градуировки магнитных градиентометров и датчиков линейных перемещений на гальваномагнитных эффектах, а также при измерении магнитной восприимчивости слабомагнитных веществ по методу Фарадея, магнитных свойств парамагнитных солей по методу Квинке и исследовании магнитных свойств вещества пондермоторным способом и т.д. Из уровня техники известно техническое решение устройства создания квазистатического магнитного поля с постоянным градиентом его напряженности с использованием электромагнитов, различные варианты которого описаны в 1. Оно выполнено в виде электромагнита, который содержит намагничивающие катушки с током и незамкнутый магнитопровод с полюсными наконечниками различных форм (специальные профильные наконечники). В этом устройстве по одному из вариантов с помощью наконечников, изготовленных в форме цилиндров диаметром 30 мм, с основанием в виде двух плоскостей,пересекающихся под углом 6, постоянство градиента напряженности магнитного поля обеспечивается на длине 1-2 мм. По-другому из вариантов неоднородное магнитное поле с небольшим градиентом его напряженности можно получить, если разместить между полюсами электромагнита, выполненными в сечении в виде усеченных трапеций двух изолированных медных лент, расположенных вдоль полюсных наконечников. Через ленты пропускается ток величиной в 30 А, причем направления токов в лентах противоположные. Градиент напряженности магнитного поля сохраняется практически постоянным на нескольких миллиметрах по всей оси и изменяется в пределах одного мм меньше, чем на 410-2 А/м. Также известны в 1 полюсные наконечники, выполненные в сечении в виде усеченных трапеций с круглыми выямками посередине и цилиндрические наконечники,один из которых имеет выпуклую по окружности форму, а другой - вогнутую. При диаметре полюсов 50 мм и зазоре 30 мм между ними величина градиента напряженности магнитного поля вдоль оси, перпендикулярной оси симметрии, сохраняется постоянной на расстоянии 10 мм. Основными недостатками устройств с использованием электромагнитов с профильными наконечниками являются узкий диапазон, где градиент напряженности магнитного поля остается постоянным при относительно больших габаритах устройства, а также постоянство градиента обеспечивается только по одной оси, а хотя бы не в плоскости, что исключает возможность одновременного использования нескольких образцов, например при настройке и калибровке чувствительных элементов магнитных градиентометров, а также и необходимость использования мощных источников электроэнергии, что затрудняет применение устройства в полевых условиях. Также известно техническое решение устройства создания магнитного поля с постоянным градиентом его напряженности на длине до 15 мм с использованием плоской 0 образной магнитной системы, состоящей из двух постоянных самарий кобальтовых магнитов, намагниченных противоположно к которым крепятся плоские пластины магнитопровода 2. При этом постоянные магниты размещены на концах пластин. Основными недостатками устройства 2 являются узкий диапазон где градиент напряженности магнитного поля остается постоянным, отсутствие возможности регулиров 2 17808 1 2013.12.30 ки величины градиента напряженности магнитного поля, а также постоянство градиента обеспечивается только по одной оси, а хотя бы не в плоскости, что исключает возможность одновременного использования нескольких образцов, например при настройке и калибровке чувствительных элементов магнитных градиентометров замкнутость магнитной системы ограничивает функциональное применение созданного неоднородного магнитного поля только датчиками линейных перемещений. Использование магнитопроводов обуславливает возникновение магнитного гистерезиса в устройстве. Наиболее близким к заявляемому является устройство создания магнитного поля с постоянным градиентом его напряженности 3 (прототип). Оно содержит два ферритовых магнита в виде дисков, расположенных соосно и разнесенных на фиксированное расстояние между ними, причем магниты намагничены противоположно. Датчик Холла выполнен с возможностью перемещения вдоль аксиальной оси (оси симметрии) от одного магнита к другому. Градиент напряженности магнитного поля остается постоянным вдоль оси симметрии практически в диапазоне 5 мм. Основными недостатками прототипа являются узкий диапазон, где градиент напряженности магнитного поля остается постоянным, отсутствие возможности регулировки величины градиента напряженности магнитного поля, а также постоянство градиента обеспечивается только по одной оси. Кроме того, создание градиента напряженности магнитного поля между магнитами вдоль оси симметрии магнитов существенно ограничивают функциональные возможности устройства возможностью его использования при измерении магнитной восприимчивости слабомагнитных веществ по методу Фарадея, магнитных свойств парамагнитных солей по методу Квинке и т.д. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является расширение функциональных возможностей, а именно увеличение диапазона постоянства градиента напряженности магнитного поля, регулирование величины этого градиента, обеспечение постоянства градиента по множествам направлений вдоль радиуса в диапазоне углов 0-360. Устройство содержит два постоянных симметричных магнита, выполненных в виде противоположно намагниченных дисков заданной толщины , установленных с зазором соосно друг другу, а также подвижный датчик Холла. Оно отличается тем, что магниты выполнены из материала с высокой удельной магнитной энергией, например изили , толщиной, равной их радиусу, и подвижными в осевом направлении с возможностью изменения и фиксации величины указанного зазора в пределах от 0,5 до 1,5, кромки ближайших одноименных полюсов магнитов сточены под углом 45 к их оси, а датчик Холла установлен с возможностью радиального перемещения в фиксированной плоскости, лежащей при каждом положении магнитов посередине указанного зазора, и измерения радиальной составляющей напряженности магнитного поля в каждой точке его расположения в соответствии с ориентацией пластины датчика Холла. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по расширению функциональных возможностей устройства в целом, а именно значительно увеличивается диапазон постоянства градиента напряженности магнитного поля, величина градиента регулируется в результате аксиального перемещения магнитов и обеспечивается постоянство градиента не по одному выделенному направлению, а по множествам направлений вдоль радиуса в диапазоне углов 0-360. Решение поставленной задачи достигается тем, что конфигурация магнитов и их геометрические размеры в устройстве выбираются из следующих соотношений 0,5,5 и 0, где- заданная толщина дисков,- величина указанного зазора, 0 - радиус магнитов. При этом ближайшие одноименные полюса магнитов выполнены со сточенными кромками под углом 45 к аксиальной оси магнитов, что в комплексе и обеспечивает постоянство градиента напряженности магнитного поля в максимальном геометрическом диапазоне (практически до 30 мм при тех же размерах полюсов магнитов, что и в ближай 3 17808 1 2013.12.30 ших аналогах). Цилиндрические магниты, выполненные из закритических материалов, т.е.,и др., с высокой удельной магнитной энергией обычно выпускаются заводомизготовителем с соотношением размеров 0, и в соответствие с 4 цилиндрический магнит заданного объема обладает наибольшей энергией внешнего магнитного поля, когда его высота составляет половину его диаметра, т.е.0. Кроме того, существенно расширяются и другие функции устройства осуществляется регулирование величины градиента напряженности магнитного поля, за счет того, что магниты выполнены с возможностью регулируемого аксиального перемещения и фиксации, а также обеспечение постоянства градиента по множествам направлений вдоль радиуса в диапазоне углов 0-360, что следует из симметрии устройства относительно аксиальной оси. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображено предложенное устройство. На фиг. 2 приведены зависимости величины тангенциальной составляющей напряженности магнитного поляот координатырадиального перемещения датчика Холла,расположенного между полюсами магнитов в диапазоне от центра до 0 (правее центра) для пары магнитов изс удельной магнитной энергией 52. Линии , , , , соответственно приведены для зазоров , равных 10 мм, 14 мм, 18 мм, 26 мм, 40 мм. Геометрические размеры магнитов 026 мм. Глубина кромки равна 1 мм, угол наклона кромки 45. Расчет выполнялся по программе 5. Вследствие геометрической симметрии магнитов-(-) зависимости длялевее центра не приведены. И,как следствие, координатеконца линейной зависимостиили постоянства градиента напряженности магнитного поля соответствует диапазон от - до. На фиг. 3 приведены зависимости величины тангенциальной составляющей напряженности магнитного поляот координатырадиального перемещения датчика Холла,расположенного между полюсами магнитов в диапазоне от центра до 0 (правее центра) для пары магнитовс удельной магнитной энергией 27. Линии , , , ,соответственно приведены для зазоров , равных 10 мм, 14 мм, 18 мм, 26 мм, 40 мм. Геометрические размеры магнитов 026 мм. Глубина кромки равна 1 мм, угол наклона кромки 45. Расчет выполнялся по программе 5. Устройство содержит два постоянных симметричных магнита в виде дисков 1 и 2, установленных соосно друг другу с зазороми намагниченных противоположно, а также датчик Холла 3, размещенный в плоскости, расположенной в середине зазора между магнитами, выполненный с возможностью радиального перемещения. Датчик Холла 3 закреплен на немагнитной штанге 4, проходящей через отверстие в немагнитном основании 5 держателя магнитов 1 и 2. Ориентация пластины датчика Холла 3 соответствует измерению радиальной составляющей напряженности магнитного поляв точке его расположения, характеризующейся координатой . Ближайшие одноименные полюса магнитов выполнены со сточенными кромками 6 под углом 45 к плоскости полюсов и соответственно 45 аксиальной оси магнитов. Глубина кромки 1 мм. Как показали расчеты, глубиной кромки можно в некоторой степени регулировать градиент напряженности 4 17808 1 2013.12.30 магнитного поля, создаваемый устройством вблизи кромки, особенно при уменьшении величины зазора . При увеличениироль кромок снижается. Магниты 1, 2 крепятся к немагнитному основанию 5, в котором проделаны соответствующие отверстия с помощью немагнитных держателей 7, и фиксируются на одинаковом расстоянии /2 от плоскости, в которой может перемещаться датчик Холла 3. Штанга 4 с датчиком Холла 3 имеет выход на датчик перемещений 8, исполнение которого может быть любым. Источник питания датчика Холла 3 и измеритель ЭДС Холла, как и в прототипе, на фиг. 1 не изображены. На фиг. 1 представлен механизм, обеспечивающий дискретный метод креплений. В принципе, механизм крепления магнитов 1 и 2 относительно базового основания 5 может быть совершенно другим, что не является принципиальным для функционирования устройства. Устройство работает следующим образом. Вначале базовое основание 5 устанавливается жестко в вертикальной или горизонтальной плоскости в зависимости от цели использования устройства. Магниты 1 и 2 устанавливаются соосно, кромками навстречу друг другу, фиксируются на основании 5 на выбранном расстоянии /2 от плоскости перемещения датчика Холла 3. Зазорвыбирается из соотношения 0,5,5 и в зависимости от цели использования устройства. Величина градиента напряженности магнитного поля и величина отклонения его от константы вычисляются по измеренным зависимостям , полученным при помощи перемещения датчика Холла 3 вдоль штанги 4 по радиусу . Величина координатыопределяется с помощью показаний датчика перемещений 8. Датчик Холла с штангой 4 перемещают до выхода из области магнитного поля. Таким образом, устройство готово для дальнейшего использования, например для настройки и градуировки магнитных градиентометров и датчиков линейных перемещений на гальваномагнитных эффектах, а также при измерении магнитной восприимчивости слабомагнитных веществ по методу Фарадея,магнитных свойств парамагнитных солей по методу Квинке и исследовании магнитных свойств вещества пондермоторным способом и т.д. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Чечерников В.И. Магнитные измерения. Изд. Второе / Под ред. Е.И.Кондорского. М. Московский университет, 1969. - . 35-37. 2. Прокошин В.И., Шепелевич В.Г., Ярмолович В.А. Устройства автоматики и робототехники на эффекте Холла Учебное пособие. - Минск РМ ИПК, 1991. - С. 115-118. 3. Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы Пер. с польск. В.И.Тихонова и К.Б.Макидонской / Под ред. О.К.Хомерики. - М. Энергия. - С. 264-265(прототип). 4. Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др. Постоянные магниты Справочник / Под ред. Ю.М.Пятина. 2-изд., перераб. и доп. - М. Энергия, 1980. - С. 204. 5. Сайт в интернете //.-, программа, версия 4.2. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6