Магнитометр

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Унитарное предприятие Завод Эталон(72) Авторы Соколов Сергей Николаевич Тарасевич Сергей Викторович Драпезо Александр Петрович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Унитарное предприятие Завод Эталон(57) Магнитометр, содержащий датчик температуры, три полупроводниковых элемента Холла с идентичными ферромагнитными концентраторами магнитного потока, установленными в трех взаимно ортогональных плоскостях попарно навстречу друг другу заостренными концами, выполненными в форме усеченного конуса, в зазоре между которыми размещен каждый элемент Холла, помещенные в измерительный зонд с рукояткой, а также измерительный прибор с источником питания, отличающийся тем, что концентраторы магнитного потока выполнены из магнитомягкого феррита с высокой начальной магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и площадью меньшего основания конуса, минимально возможной для размещения элемента Холла, таким образом, что образующая конуса наклонена к его оси под углом, лежащим в диапазоне (17,5-22,5), а сам элемент Холла изготовлен тонкопленочным в микроминиатюрном исполнении с толщиной, не превышающей 150 мкм, причем измерительный зонд окружен съемным многослойным экранирующим кожухом, выполненным из чередующихся слоев ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью и слоев немагнитного металла с высокой электрической проводимостью.(56) 1.. Патент 4587509, МПК 01 43/04,01 43/00.1986.05.06. 2. Магнитометр. Свидетельство на полезную модель 8811, МПК 01 33/00. Опубликовано 16.12.1998 (прототип). 3. Сайт в Интернете //.-, программа, версия 4.0. 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196, С. 200. Предлагаемая полезная модель относится к средствам измерений слабых магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля. Известно устройство (магнитометр) для измерений слабых магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля 1, которое в одном из вариантов содержит три полупроводниковых, например, галлий-арсенидных элемента Холла с концентраторами магнитного потока, установленные в трех взаимно ортогональных плоскостях по граням немагнитного куба. Концентраторы выполнены из аморфного магнитного материала, т.е. металлического стекла с высокой проницаемостью. По форме концентратор магнитного потока состоит из двух симметричных половинок,которые сужаются к элементу Холла и, перекрываясь, обхватывают его. Таким образом,концентрация магнитного потока осуществляется в зазоре перекрытия, т.е. при изменении направления соответствующей компоненты вектора индукции магнитного поля на ортогональное, что является существенным недостатком конструкции магнитометрического зонда. Снижение точности измерений происходит из-за взаимного влияния усиления компонент индукции магнитного поля по ортогональным направлениям. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является магнитометр 2(прототип), который содержит три элемента Холла и датчик температуры, помещенные в охлаждаемый измерительный зонд, а также измерительный прибор с источником питания,отличающийся тем, что он снабжен концентраторами магнитного поля, выполненными из малоуглеродистой стали и установленными попарно навстречу друг другу заостренными концами, в зазоре между которыми установлен каждый элемент Холла. Причем заостренный конец концентраторов выполнен в виде усеченной пирамиды либо заостренный конец концентраторов выполнен в виде усеченного конуса. Концентраторы с элементами Холла размещены на плато в трех взаимно ортогональных плоскостях в соответствии с пространственной системой координат , , . Плато вместе с элементами Холла и датчиком температуры помещено в измерительный зонд, который имеет рукоятку. Согласно описанию полезной модели 2, концентратор увеличивает напряжение ЭДС Холла враз, где- коэффициент усиления индукции внешнего магнитного поля 0 концентраторами магнитного потока в месте расположения элемента Холла, где индукция равна ,т.е./0. Согласно 2, диапазон достигнутыхне более 15-20. Элементы Холла электрическими проводами связаны с источником питания и приборами для измерения тока и напряжения. В процессе измерений магнитного поля по трем координатам контролируется температура с помощью датчика температуры. Магнитометр имеет низкую точность, особенно при измерениях слабых магнитных полей, вследствие небольшого коэффициента усиления ферромагнитных концентраторов магнитного потока и наличия магнитного гистерезиса в концентраторах из малоуглеродистой стали. Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - повышение точности измерений индукции магнитного поля за счет увеличения коэффициента усиления магнитного потока ферритовыми концентраторами магнитного потока и использования съемного экраниру 2 64542010.08.30 ющего кожуха при калибровке магнитометра (установке нуля). Принципиальным отличительным элементом в конструкции концентратора магнитного потока является оптимизация его геометрических размеров. Наличие ферромагнитных концентраторов вблизи элементов Холла обуславливает существование магнитного гистерезиса, а следовательно, и электрического гистерезиса,особенно при измерении слабых магнитных полей после воздействия магнитных полей более высокого уровня. Величина этого гистерезиса зависит от геометрии, магнитных свойств материала концентратора, предыстории воздействии магнитных полей. Поэтому наряду с оптимизацией формы концентратора, т.е. с увеличением коэффициента усиления,и соответствующего выбора материала концентратора необходима периодическая подстройка установка нуля магнитометра. Следовательно, использование съемного экранирующего кожуха при калибровке магнитометра (периодической подстройке нуля) значительно способствует повышению точности измерений индукции магнитного поля. Решение поставленной задачи достигается тем, что магнитометр содержит датчик температуры, три полупроводниковых элемента Холла с идентичными ферромагнитными концентраторами магнитного потока, установленными в трех взаимно ортогональных плоскостях попарно навстречу друг другу заостренными концами, выполненными в форме усеченного конуса, в зазоре между которыми размещен каждый элемент Холла, помещенные в измерительный зонд с рукояткой, а также измерительный прибор с источником питания. Он отличается тем, что концентраторы магнитного потока выполнены из магнитомягкого феррита с высокой начальной магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой и площадью меньшего основания конуса, минимально возможной для размещения элемента Холла, таким образом, что образующая конуса наклонена к его оси под углом,лежащим в диапазоне (17,5-22,5), а сам элемент Холла изготовлен тонкопленочным в микроминиатюрном исполнении с толщиной, не превышающей 150 мкм, причем измерительный зонд окружен съемным многослойным экранирующим кожухом, выполненным из чередующихся слоев ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью и слоев немагнитного металла с высокой электрической проводимостью. Анализ элементов магнитометра, приведенных в отличительной части, показывает,что некоторые из них могут иметь кажущуюся близкую по форме конструкцию, которая по отдельности используется в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым, а отличия - существенными. Кроме того, совокупность этих элементов придает магнитометру новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. На фиг. 1 представлена одна пара цилиндрических концентраторов магнитного потока с заостренными концами навстречу друг другу, выполненных в виде усеченных конусов с размещенным в зазоре элементом Холла. Угол между образующей усеченного конуса и его осью обозначен , который находится в диапазоне (17,5-22,5), что соответствует величине угла при вершине конуса 2(35-45). Длина концентратора - , а зазор - . Радиус меньшего основания усеченного конуса - . На фиг. 2 - измерительный зонд с рукояткой, в котором размещены три полупроводниковых элемента Холла с ферромагнитными концентраторами магнитного потока, установленные в трех взаимно ортогональных плоскостях, и датчик температуры. На фиг. 3 - съемный многослойный экранирующий кожух (в разрезе), окружающий измерительный зонд. На фиг. 4 представлена расчетная зависимость индукции магнитного поляв зазоре концентраторов магнитного потока со свойствами феррита марки 3000 МН как функция расстояния от оси концентратора при величине индукции внешнего (измеряемого магнитного поля) В 01 мкТл и следующих геометрических размерах концентратора, согласно фиг. 1,30 мм, 23 мм,150 мкм,250 мкм, что позволяет разместить элемент Холла с размерами 300300150 мкм. 3 64542010.08.30 Расчет выполнялся с использованием программы 4.0 3. Зависимостьсоответствует 10,соответствует 20 ,соответствует 45,соответствует случаю,когда концы концентраторов не заострены, т.е.90. В таблице приведены расчетные значения коэффициентов усиленияпри различных значениях углов , что позволяет оптимизировать диапазон значений угла , при котором выполняются два основных требования а) значение коэффициента усилениястремится к максимуму б) величина индукции магнитного поляпрактически не изменяется в месте расположения элемента Холла, т.е. все части элемента Холла с размерами, не превышающими 2, т.е. 0,5 мм, находятся в однородном поле. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы площадь меньшего основания конуса была минимально возможной для размещения элемента Холла и одновременно выполнялись условия а) и б). Анализ полученных расчетных данных указывает, что оптимальным является диапазон угла , равный (17,5-22,5), что соответствует величине угла при вершине конуса 2(35-45). Магнитометр содержит три полупроводниковых элемента Холла 1, изготовленных тонкопленочными в микроминиатюрном исполнении с толщиной корпуса, не превышающей 150 мкм. Такие элементы Холла выпускаются в ГО НПЦ НАНБ по материаловедению (г. Минск) на основе гетероэпитаксиальных структур с магнитной чувствительностью 250 мВ/Тл. Размеры элемента Холла, выполненного в виде параллепипеда, 0,30,3 мм и толщина 150 мкм. Концентраторы магнитного потока 2 выполнены из магнитомягкого феррита с высокой начальной магнитной проницаемостью(например марки 3000 МН или 6000 МН) и низкой коэрцитивной силой в форме тонких и длинных пар цилиндрических стержней,заостренные концы которых выполнены в форме усеченного конуса с углом наклона образующей конуса к его оси, равнымв диапазоне (17,5-22,5), и площадью меньшего основания конуса, минимально возможной для размещения элемента Холла. В зазоре толщиной 150 мкм каждой пары концентраторов по оси цилиндра размещен элемент Холла 1. Датчик температуры 3 (это может быть терморезистор) установлен в центре немагнитного кубического плато 5, а ферромагнитные концентраторы 2 магнитного потока установлены в трех взаимно ортогональных плоскостях по граням куба 5. Элементы Холла 1 с концентраторами 2, датчиком температуры 3 и кубическим плато 5 образуют измерительный зонд с рукояткой 4. Измерительный зонд с частью рукоятки окружен съемным многослойным экранирующим кожухом, выполненным из чередующихся слоев ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью и слоев немагнитного металла, например меди с высокой электрической проводимостью. Кожух состоит из утолщенного магнитного каркаса 6 (его толщина около 2-4 мм), изготовленного, например, из пермаллоя, на котором методом электролитического осаждения сформированы чередующиеся более тонкие слои (характерная толщина каждого слоя - 10 мкм) немагнитный 7 с высокой электрической проводимостью, 8 опять магнитный и так далее. На фиг. 3 изображено только 5 слоев, но их количество целесообразно доводить до 20-30 единиц. Чтобы кожух был съемным его целесообразно выполнять из двух половинок, содержащих резьбу 9 или любое другое крепление внахлест. Также магнитометр содержит измерительный прибор с источником питания (не изображены). Целесообразно в качестве измерительного прибора использовать микропроцессор с АЦП и дисплеем типа , который может не только отображать как осциллограф форму сигналов (компонент индукции магнитного поля , ,от времени), но и производить коррекцию и обработку сигналов, а также осуществлять функцию запоминания, что, например, особенно важно при аттестации ра 4 64542010.08.30 бочих мест по существующим Санитарным Нормами и Правилами РБ 2.2.4.11-25 от 2003 г., СН 9-84-98, СН 9-85-98, СанПИН 13-2-2007 Гигиеническая классификация условий труда (введен Постановлением Совета Министров РБ 253 от 22.02. 2008 г. Об аттестации рабочих мест по условиям труда). Магнитометр работает следующим образом. Сначала он калибруется в магниточистом помещении, т.е. экспериментально определяются зависимости выходных сигналов каждого элемента Холла от компонент индукции магнитного поля , ,и их коррекция на изменения температуры , а также программируется вычисление модуля магнитного поля по его измеренным ортогональным компонентам в соответствии с формулой(222)1/2. Непосредственно перед измерениями магнитометр прогревается в установленном инструкцией порядке. Однако перед измерениями слабых магнитных полей необходимо обнулять показания выходных сигналов с элементов Холла (корректировать начальную рабочую точку в отсутствии электромагнитных полей и помех), чтобы избежать возможного проявления гистерезисных явлений и влияния предыстории ранее проведенных измерений, а также влияния помехонесущих полей, в том числе и магнитного поля Земли. Поэтому на измерительный зонд надевается экранирующий кожух, содержащий чередующиеся слои 6, 7, 8 и т.д. ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью и слои немагнитного металла с высокой электрической проводимостью. Этим обеспечивается значительное подавление электромагнитных составляющих помех, в том числе магнитного поля Земли. Известно 4, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующимися (эффективно использовать технологию электролитического осаждения), поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. В экранирующем кожухе используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма кожуха сравнительно мало влияет на его экранирующие функции, но оптимальной формой является сфера. Внутри экранирующего кожуха обеспечивается 0,0,0, что позволяет скорректировать сигналы с элементов Холла 1. При проведении измерений экранирующий кожух снимается и удаляется от измерительного зонда. По сигналам с элементов Холла 1 и датчика температуры 3 определяются, ,и вычисляется В(222)1/2. Таким образом, осуществляется решение поставленной задачи по повышению точности измерений индукции магнитного поля за счет увеличения коэффициента усиления магнитного потока ферритовыми концентраторами магнитного потока (по сравнению с прототипом на порядок) и использования съемного экранирующего кожуха при калибровке магнитометра (установке нуля). Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, относится к средствам измерений слабых магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля для заявленного магнитометра в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик 5 64542010.08.30 соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повышения точности измерений индукции магнитного поля. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6