Устройство для измерения индукции магнитного поля, индуцированного в результате взрывной обработки металлов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ИНДУЦИРОВАННОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Углов Владимир Васильевич Драпезо Александр Петрович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения индукции магнитного поля, индуцированного в результате взрывной обработки металлов, содержащее блок первичных магниточувствительных преобразователей, функционирующих на эффекте Холла, выполненный в виде установленных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей, выходы которых соединены с блоком усиления выходных сигналов, соединенным с аккумуляторным блоком питания, через разветвительную коробку и блок коммутации - с платами АЦП блока управления, выполненного в виде системного блока компьютера с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов, и с блоком сетевого питания устройства, а также систему синхронизации для запуска указанного программного обеспечения в начальный момент взрыва, причем блок усиления выходных сигналов содержит одинаковые двухкаскадные каналы усиления, соответствующие указанным преобразователям Холла и выполненные на основе широкополосных многокаскадных усилителей преобразователи Холла выполнены из с входным электросопротивлением менее 8 Ом, аналого-цифровые преобразователи установлены в системном блоке указанного компьютера на не менее чем 16-разрядной шине, а блок первичных 101242014.06.30 преобразователей Холла помещен во взрывозащищенный герметичный корпус из ненамагничиваемого материала, отличающееся тем, что каждый упомянутый магниточувствительный преобразователь, функционирующий на эффекте Холла, и указанный канал усиления выполнены с дублированием, причем магниточувствительные преобразователи Холла сгруппированы по двое и расположены по двое в узком зазоре между плоскими прямоугольными пластинами магнитомягких концентраторов магнитного потока с заостренными концами в форме усеченных трапеций, установленными указанными заостренными концами навстречу друг к другу многокаскадные усилители размещены на основании, пассивно демпфирующем колебания по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Заявляемая полезная модель относится к информационно-измерительной технике, а именно к импульсной магнитометрии, и предназначена для измерения и визуализации на экране дисплея компьютера трехмерных составляющих вектора индукции магнитного поля от времени в режимев широком временном диапазоне общей длительностью до 1 мс и быстроизменяющимися значениями измеряемых величин с характерными временами порядка 1-10 мкс. Известно устройство 1, содержащее феррозонд, в цепь намагничивающей обмотки которого включен генератор прямоугольных импульсов и последовательно соединенные переменные и эталонный резисторы, параллельно которым включен измерительный прибор, а в цепь выходной обмотки феррозонда включены усилитель, интегратор, пороговый блок и индикаторный прибор. Устройство позволяет измерять постоянные поля ферромагнитных тел в статике компенсационным методом. Недостатком устройства является большое время процесса измерения, связанное с ручной регулировкой амплитуды компенсирующего поля, а также невозможность измерения импульсного магнитного поля. Известно устройство 2 для измерения напряженности переменного магнитного поля,содержащее измерительную катушку, соединенную со входом усилителя, выход которого подключен к последовательному соединению катушки отрицательной обратной связи и сопротивления нагрузки, нагруженного на апериодическое звено первого порядка. Выход апериодического звена подключен ко второму входу усилителя. Апериодическое звено состоит из резисторов и конденсатора. Недостатком данного устройства является неустойчивость работы из-за наличия положительной обратной связи усилителя, а также неравномерность амплитудно-частотных характеристик. Известно устройство 3 для измерения индукции переменного магнитного поля, индуцируемого в результате взрывной обработки металлов, содержащее блок первичных преобразователей Холла, выполненный в виде трех установленных во взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей, выходы которых соединены с блоком усиления выходных сигналов, соединенным с аккумуляторным блоком питания, а через разветвительную коробку и блок коммутации - с платами АЦП блока управления,выполненного в виде системного блока компьютера с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов, и с блоком сетевого питания устройства. 101242014.06.30 Устройство 3 требует проведения многократных измерений в каждой точке, что требует больших временных затрат. Используемая методика статистического анализа не позволяет получать распределений, характеризующих мгновенное состояние переменного магнитного поля в динамике взрывной обработки материалов. Сложная механическая система устройства не позволяет использовать его при измерениях индукции магнитного поля вблизи эпицентра взрыва в режиме. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство 4, содержащее блок первичных преобразователей Холла, выполненный в виде трех установленных во взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей, выходы которых соединены с блоком усиления выходных сигналов, соединенным с аккумуляторным блоком питания, а через разветвительную коробку и блок коммутации - с платами АЦП блока управления, выполненного в виде системного блока компьютера с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов, и с блоком сетевого питания устройства, а также систему синхронизации для запуска указанного программного обеспечения в начальный момент взрыва, блок усиления выходных сигналов содержит три одинаковых двухкаскадных канала усиления, соответствующих указанным преобразователям Холла и выполненных на основе широкополосных многокаскадных усилителей преобразователи Холла выполнены из о входным электросопротивлением менее 8 Ом, аналого-цифровые преобразователи установлены в системном блоке указанного компьютера на не менее чем 16-разрядной шине, а блок первичных преобразователей Холла помещен во взрывозащищенный герметичный корпус из ненамагничиваемого материала (прототип). Недостатком этого устройства является низкая чувствительность при пиковых значениях индукции магнитного поля менее 1-10 мТл, что требует приближения блока датчиков Холла непосредственно к центру эпицентра взрыва, что значительно снижает надежность устройства в целом. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение чувствительности к магнитному полю и надежности в условиях измерений импульсных магнитных полей за счет удаления магниточувствительных преобразователей от эпицентра взрыва. Устройство для измерения индукции магнитного поля, индуцированного в результате взрывной обработки металлов, содержит блок первичных магниточувствительных преобразователей, функционирующих на эффекте Холла, выполненный в виде установленных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей, выходы которых соединены с блоком усиления выходных сигналов, соединенным с аккумуляторным блоком питания через разветвительную коробку и блок коммутации - с платами АЦП блока управления, выполненного в виде системного блока компьютера с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов, и с блоком сетевого питания устройства, а также систему синхронизации для запуска указанного программного обеспечения в начальный момент взрыва, причем блок усиления выходных сигналов содержит одинаковые двухкаскадные каналы усиления, соответствующие указанным преобразователям Холла и выполненные на основе широкополосных многокаскадных усилителей преобразователи Холла выполнены из с входным электросопротивлением менее 8 Ом, аналого-цифровые преобразователи установлены в системном блоке указанного компьютера на не менее чем 16-разрядной шине, а блок первичных преобразователей Холла помещен во взрывозащищенный герметичный корпус из ненамагничиваемого материала. Оно отличается тем, что каждый упомянутый магниточувствительный преобразователь, функционирующий на эффекте Холла, и указанный канал усиления выполнены с дублированием, причем магниточувствительные преобразователи Холла сгруппированы по двое и расположены по двое в узком зазоре между плоскими прямоугольными пластинами магнитомягких концентраторов магнитного потока с заостренными концами в форме 3 101242014.06.30 усеченных трапеций, установленными указанными заостренными концами навстречу друг к другу многокаскадные усилители размещены на основании, пассивно демпфирующем колебания по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, 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 задачи в заявляемой полезной модели. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-2. На фиг. 1 приведена электрическая блок-схема устройства. На фиг. 2 изображено размещение пары магниточувствительных преобразователей Холла в зазоре концентраторов магнитного потока, вид сверху. Устройство для измерения индукции магнитного поля, индуцированного в результате взрывной обработки металлов, содержит блок 1 первичных магниточувствительных преобразователей (датчиков) Холла в количестве шести штук, сгруппированных по двое, исходя из принципа дублирования магниточувствительных элементов, которые по парам размещенны в трех взаимно перпендикулярных плоскостях , ,в герметичном ненамагничиваемом корпусе, выходы которых соединены с блоком усиления 2 выходных сигналов магниточувствительных преобразователей, содержащим семь двухкаскадных широкополосных усилителей, питающихся от аккумуляторного блока питания 3, через разветвительную коробку 4, связывающую блок коммутации 5, - с платами АЦП системного блока компьютера 6 с выходом на монитор 7 и управлением мышкой 8 и клавиатурой 9 в соответствии с заложенной программой запуска и обработки сигналов. Питание устройства осуществляется через блок питания 10 от сети 220 . Устройство содержит схему синхронизации 11 запуска программы взрывного устройство с изолированными контактами 12. Синхронизация запуска программы регистрации посредствам схемы синхронизации 11 и обработки данных с началом взрывного процесса позволяет получить полную и достоверную информацию о распределении индукции импульсного магнитного поля от времени в режимев широком временном диапазоне общей длительностью до 1 мс и быстроизменяющимися значениями измеряемых величин с характерными временами порядка 1-10 мкс и осуществлять технический контроль за развитием взрыва при динамической обработке материалов. Магниточувствительные преобразователи Холла 13 выполнены на основе гетероэпитаксиальной структуры со входным и выходным электросопротивлениями менее 8 Ом, обладают миниатюрностью (магниточувствительная область - перекрестие 1001003 мкм при размере кристалла 0,50,50,5 мм), сгруппированы по идентичным парам (специальная выборка по магнитной чувствительности 300 мВ/Тл с погрешностью менее 1 ) и установлены по двое в узком зазоре между плоскими прямоугольными пластинами магнитомягких концентраторов 14 магнитного потока с заостренными концами 15 в форме усеченных трапеций, направленными указанными заостренными концами навстречу друг к другу, что представлено на фиг. 2. Концентраторы 14 магнитного потока с заостренными концами в 15 закреплены на плоском основании 16, в котором предусмотрена плата 17 с залуженными медными полосками для приварки золотого микропровода диаметром 20 мкм электрических выводов от магниточувствительных преобразователей 4 101242014.06.30 Холла 13. Применение концентраторов 14 магнитного потока позволило увеличить магнитную чувствительность преобразователей Холла не менее чем в 20-30 раз (в зависимости от длины концентраторов и угла их заострения) без изменения шумовых характеристик и стабильности работы устройства, что позволило уверенно фиксировать пиковые значения индукции магнитного поля менее 1-10 мТл, тем самым позволило удалить магниточувствительные преобразователи от эпицентра взрыва. Аналого-цифровые преобразователи (частота выборок не менее 10 МГц) установлены в системном блоке компьютера 6 на не менее чем 16-разрядной шине, а блок 1 магниточувствительных преобразователей Холла 13 помещен во взрывозащищенный герметичный корпус из ненамагничиваемого материала, причем многокаскадные усилители (не изображены) размещены на основании, пассивно демпфирующем колебания по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Устройство для измерения индукции магнитного поля, индуцированного результате взрывной обработки металлов, работает следующим образом. Изолированные контакты 12 схемы синхронизации 11 являются элементом взрывного устройства. В начальный момент взрыва изоляция оплавляется, контакты замыкаются и срабатывает схема синхронизации 11 запуска программы регистрации и обработки импульсов переменного магнитного поля,поступающих с малочувствительных преобразователей Холла 13, размещенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, нормаль к которым проходит по осямсоответственно. Преобразователи Холла размещены в центре защитного корпуса в форме куба в соответствии с указанными осями , , . Сигналы по каждому из каналов , ,дублируются и подаются соответственно на первый и второй каскады соответствующего блока усиления 2, питание которых осуществляется от аккумуляторного блока питания 3. Далее сигналы с выхода усилителя каналов ,через разветвительную коробку 4 и блок коммутации 5 подаются на соответствующие входы плат АЦП системного блока компьютера 6, с которого сигналы в графическом виде регистрируются на мониторе 7 компьютера. Управление запуском программы регистрации и обработки данных осуществляется с помощью клавиатуры и мышки 8. Основная погрешность измерения не превышает 5 . Питание устройства осуществляется через блок питания 10 от сети 220 В. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной задачи по повышению чувствительности к магнитному полю и надежности в условиях измерений импульсных (переменных затухающих) магнитных полей за счет удаления магниточувствительных датчиков от эпицентра взрыва и применения принципа дублирования основных электрических компонентов. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к области импульсной магнитометрии и предназначена для измерения и визуализации на экране дисплея компьютера трехмерных составляющих вектора индукции магнитного поля от времени в режимев широком временном диапазоне общей длительностью до 1 мс и быстроизменяющимися значениями измеряемых величин с характерными временами порядка 1-10 мкс и характерными значениями индукции магнитного поля в пике (затухающий со временем импульс) менее 1-10 мТл. 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6