RU2756776C1 - Method for creating a stable magnetic field and system for implementation thereof - Google Patents
Method for creating a stable magnetic field and system for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756776C1 RU2756776C1 RU2020113449A RU2020113449A RU2756776C1 RU 2756776 C1 RU2756776 C1 RU 2756776C1 RU 2020113449 A RU2020113449 A RU 2020113449A RU 2020113449 A RU2020113449 A RU 2020113449A RU 2756776 C1 RU2756776 C1 RU 2756776C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- gap
- electromagnet
- value
- creating
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F7/00—Regulating magnetic variables
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемая группа изобретений относится к сфере метрологических электромагнитных комплексов и предназначена для создания корректирующего магнитного поля, компенсирующего колебания напряженности магнитного поля, создаваемого основными катушками соленоида или электромагнита, возникающих вследствие ряда внешних факторов.The proposed group of inventions relates to the field of metrological electromagnetic complexes and is intended to create a corrective magnetic field that compensates for fluctuations in the strength of the magnetic field created by the main coils of a solenoid or electromagnet arising from a number of external factors.
Настоящей группой изобретений обеспечивается возможность создания постоянных магнитных полей в диапазоне 0,01 – 2,5 Тл, что может использоваться для поверки, градуировки, и калибровки средств измерений индукции магнитного поля.The present group of inventions provides the ability to create constant magnetic fields in the range of 0.01 - 2.5 T, which can be used for verification, calibration, and calibration of instruments for measuring the magnetic field induction.
Из уровня техники известны системы, обеспечивающие создание стабильного магнитного поля в зазоре электромагнита. Известно устройство по авторскому свидетельству № 964614 (авторы С.А. Дмитриченко и И.В. Барановский, МПК G05F7/00, дата подачи з. 09.06.1980). Согласно описанию к авторскому свидетельству, нестабильность тока стабилизированного источника тока, вызванная, например, изменением напряжения питающей сети или сигналом управления, приводит к изменению тока в обмотке, датчика тока и к изменению величины магнитного поля электромагнита. Изменения напряжения с датчика поступают на управляющий вход стабилизирующего источника тока, который регулирует ток в обмотке таким образом, что магнитное поле электромагнита остается неизменным в пределах нестабильности тока источника тока. Изменения напряжения с датчика поступают на управляющий вход стабилизирующего источника тока, который регулирует ток в обмотке таким образом, что магнитное поле электромагнита остается неизменным в пределах нестабильности тока источника. Нестабильность величины магнитного, поля, вызванная, например, изменением зазора магнитопровода при изменении температуры приводит к изменению сопротивления датчика тока. Изменения напряжения с датчика 9 поступают на управляющий вход стабилизирующего источника тока, который регулирует ток в обмотке таким образом, что магнитное поле электромагнита остается неизменным в пределах нестабильности тока источника.Systems are known in the art for creating a stable magnetic field in the gap of an electromagnet. Known device according to copyright certificate No. 964614 (authors SA Dmitrichenko and IV Baranovsky, IPC G05F7 / 00, filing date z. 09.06.1980). According to the description to the copyright certificate, the current instability of the stabilized current source, caused, for example, by a change in the supply voltage or a control signal, leads to a change in the current in the winding, the current sensor and to a change in the magnitude of the magnetic field of the electromagnet. Voltage changes from the sensor are fed to the control input of the stabilizing current source, which regulates the current in the winding in such a way that the magnetic field of the electromagnet remains unchanged within the current instability of the current source. Voltage changes from the sensor are fed to the control input of the stabilizing current source, which regulates the current in the winding in such a way that the magnetic field of the electromagnet remains unchanged within the instability of the source current. The instability of the magnitude of the magnetic field, caused, for example, by a change in the gap of the magnetic circuit with a change in temperature leads to a change in the resistance of the current sensor. The voltage changes from the sensor 9 are fed to the control input of the stabilizing current source, which regulates the current in the winding in such a way that the magnetic field of the electromagnet remains unchanged within the instability of the source current.
Недостатками указанного технического решения являются невозможность компенсации изменения магнитной индукции, обусловленного, в частности, нагревом ярма электромагнита и изменением его магнитной проницаемости, перемещением ферромагнитных предметов вблизи электромагнита. Использование магниторезистора в качестве чувствительного элемента системы стабилизации тока не позволит варьировать индукцию магнитного поля в зазоре электромагнита. В целом представленная схема предназначена для поддержания определенной величины магнитной индукции и не позволяет перестраивать ее в широком диапазоне.The disadvantages of this technical solution are the impossibility of compensating for changes in magnetic induction caused, in particular, by heating the yoke of the electromagnet and changing its magnetic permeability, by moving ferromagnetic objects near the electromagnet. The use of a magnetoresistor as a sensitive element of the current stabilization system will not allow varying the magnetic field induction in the electromagnet gap. In general, the presented circuit is intended to maintain a certain value of the magnetic induction and does not allow it to be rebuilt over a wide range.
Наиболее близким техническим решением является изобретение по авторскому свидетельству №1721599 «Источник стабильного магнитного поля» (заявитель НПО «Метрология», МПК G05F7/00, дата подачи заявки №4810473 15.01.1990). Согласно описанию к авторскому свидетельству, устройство работает следующим образом. При изменении значения индукции магнитного поля в рабочем зазоре электромагнита с катушками возникает сигнал рассогласования, который воспринимается чувствительным элементом и поступает на вход ЯМР-преобразователя, резонансная частота которого синхронизируется опорным генератором с выхода ЯМР-преобразователя сигнал рассогласования через фазочувствительный детектор и согласующее устройство, представляющее собой усилитель постоянного тока, подается на катушки, создающие магнитный поток в дополнительной полюсной системе, причем направление магнитного потока должно совпадать с направлением магнитного потока полей рассеяния электромагнита.The closest technical solution is an invention under the inventor's certificate No. 1721599 "Source of a stable magnetic field" (applicant NPO Metrology, IPC G05F7 / 00, filing date No. 4810473 01/15/1990). According to the description to the copyright certificate, the device operates as follows. When the value of the magnetic field induction changes in the working gap of the electromagnet with the coils, an error signal arises, which is perceived by the sensitive element and enters the input of the NMR converter, the resonant frequency of which is synchronized by the reference generator from the output of the NMR converter, the error signal through the phase-sensitive detector and the matching device, which is DC amplifier is fed to coils that create a magnetic flux in an additional pole system, and the direction of the magnetic flux must coincide with the direction of the magnetic flux of the stray fields of the electromagnet.
К недостаткам изобретения относится использование дополнительной полюсной системы, что неприменимо к уже выпускаемым электромагнитам, применение аналоговой системы стабилизации, перенос которой на новый электромагнит может потребовать замены некоторых элементов системы стабилизации; сложность подстройки глубины обратной связи; непонятна возможность использования системы стабилизации при различных значениях магнитной индукции в зазоре электромагнита 1.The disadvantages of the invention include the use of an additional pole system, which is not applicable to already produced electromagnets, the use of an analog stabilization system, the transfer of which to a new electromagnet may require replacement of some elements of the stabilization system; the difficulty of adjusting the depth of feedback; it is not clear whether the stabilization system can be used at different values of the magnetic induction in the gap of the
Технической проблемой, на решение которой направлены предлагаемые способ и система, заключается в расширении арсенала технических средств, а технический результат заключается в реализации изобретением указанного назначения, а именно в стабилизации магнитного поля в зазоре электромагнита.The technical problem to be solved by the proposed method and system consists in expanding the arsenal of technical means, and the technical result consists in the implementation of the specified purpose by the invention, namely, in the stabilization of the magnetic field in the gap of the electromagnet.
Техническая проблема решается следующим образом. Настоящей группой изобретений предложен, в том числе, способ стабилизации магнитного поля в зазоре электромагнита, который включает задание средствами управления целевого значения магнитной индукции в зазоре электромагнита, подачу тока рассчитанной силы основным источником питания на основные средства создания магнитного поля, измерение величины магнитной индукции в зазоре электромагнита, расчет и введение добавки к силе тока (ΔI) до получения установленной разности между целевым и измеренным значением, подключение дополнительного источника питания меньшей мощности, чем основной источник питания, связанного с дополнительными средствами создания магнитного поля. В момент включения которых определяют разницу между заданным и измеренным значениями и вводят, по меньшей мере, один поправочный коэффициент в значение величины силы электрического тока.The technical problem is solved as follows. The present group of inventions proposes, inter alia, a method for stabilizing the magnetic field in the gap of an electromagnet, which includes setting by means of control a target value of magnetic induction in the gap of an electromagnet, supplying a current of the calculated force by the main power source to the main means of creating a magnetic field, measuring the magnitude of magnetic induction in the gap electromagnet, calculation and introduction of an additive to the current strength (ΔI) until the established difference between the target and the measured value is obtained, connecting an additional power source of lower power than the main power source associated with additional means of creating a magnetic field. At the moment of switching on of which, the difference between the set and measured values is determined and at least one correction factor is introduced into the value of the electric current.
В первом частном случае способ дополнительно характеризуется тем, что установленная разность между целевым и измеренным значением составляет, Тл: 
Во втором частном случае способ дополнительно характеризуется тем, что расчет силы электрического тока, изначально подаваемого источником питания на основные средства создания магнитного поля, производят по формуле:In the second special case, the method is additionally characterized by the fact that the calculation of the strength of the electric current initially supplied by the power source to the main means of creating a magnetic field is made according to the formula:
где 
В третьем частном случае способ отличается тем, что расчет добавки к силе электрического тока осуществляют по формуле:In the third particular case, the method differs in that the calculation of the addition to the strength of the electric current is carried out according to the formula:
где ∆I – величина добавки к силе электрического тока, ∆B – отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения.where ∆ I is the amount of addition to the strength of the electric current, ∆ B is the deviation of the measured value of the magnetic induction in the gap of the electromagnet from the specified value.
В четвертом частном случае способ отличается тем, что подключение источника питания меньшей мощности, чем основной источник питания, связанного с дополнительными средствами создания магнитного поля, и введение, по меньшей мере, одного поправочного коэффициента, зависит от целевого значения величины магнитного поля в воздушном зазоре электромагнита.In the fourth particular case, the method is characterized in that the connection of a power source of less power than the main power source associated with additional means of creating a magnetic field, and the introduction of at least one correction factor depends on the target value of the magnetic field in the air gap of the electromagnet ...
В пятом частном случае, способ дополнительно характеризуется тем, что поправочные коэффициенты включают: пропорциональный коэффициент, интегральный коэффициент, дифференциальный коэффициент.In the fifth particular case, the method is additionally characterized in that the correction factors include: proportional factor, integral factor, differential factor.
В шестом частном случае, способ дополнительно характеризуется тем, что добавку к силе электрического тока, генерируемую источником питания меньшей мощности определяют как:In the sixth particular case, the method is additionally characterized in that the addition to the electric current generated by the lower power supply is defined as:
где ∆I – добавка к установленному значению силы электрического тока в компенсирующих средствах создания магнитного поля, А; K проп – пропорциональный коэффициент; ∆B – отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения, Тл; K инт – интегральный коэффициент; ∆B инт – накопленное отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения, Тл; K дифф – дифференциальный коэффициент; ∆B дифф – разность измеренных значений магнитной индукции в зазоре электромагнита при предпоследней и последней итерации, Тл.where ∆I is the addition to the set value of the electric current in the compensating means for creating a magnetic field, A; K prop - proportional coefficient; ∆B is the deviation of the measured value of the magnetic induction in the gap of the electromagnet from the specified value, T; K int - integral coefficient; ∆B int is the accumulated deviation of the measured value of the magnetic induction in the gap of the electromagnet from the specified value, T; K diff - differential coefficient; ∆B diff is the difference between the measured values of the magnetic induction in the gap of the electromagnet at the penultimate and last iterations, T.
1. В первом уточнении указанного частного случая способ дополнительно характеризуется тем, что пропорциональный коэффициент определяют как:1. In the first refinement of the specified special case, the method is additionally characterized in that the proportional coefficient is determined as:
где B – значение устанавливаемой индукции, Тл.where B is the value of the established induction, T.
Во втором уточнении, способ дополнительно характеризуется тем, что разность измеренных значений магнитной индукции в зазоре электромагнита записываются в массив из N элементов, затем, из данных массива методом скользящего среднего определяют интегральное отклонение экспериментальных значений индукции от заданного:In the second refinement, the method is additionally characterized by the fact that the difference between the measured values of the magnetic induction in the gap of the electromagnet is written into an array of N elements, then, from the data of the array, the integral deviation of the experimental values of induction from the given one is determined by the method of the moving average:
где ∆B инт – накопленное отклонение измеренного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита от заданного значения, N – количество элементов в массиве, 
В третьем уточнении, способ дополнительно характеризуется тем, что дифференциальный коэффициент зависит от наличия вблизи системы перемещаемых ферромагнитных материалов, которые вносят возмущения в результаты измерений величины магнитного поля в зазоре электромагнита и изменяется в диапазоне: от минус 10-2 до 102.In the third refinement, the method is additionally characterized by the fact that the differential coefficient depends on the presence of moving ferromagnetic materials near the system, which disturb the results of measurements of the magnetic field in the gap of the electromagnet and varies in the range: from minus 10 -2 to 10 2 .
Средствами управления вводят целевое значение магнитной индукции, воспроизводимой при работе системы в зазоре электромагнита. Средства управления могут быть представлены различными устройствами и комплексами и снабжены интерфейсом для коммуникации системы и оператора. Вычислительные средства, которые могут быть совмещены со средствами управления, производят расчет силы тока, генерируемой основным источником питания, используя математическую аппроксимацию эмпирически определенной зависимости. Значение магнитной индукции, полученное при первой итерации, может иметь отклонение от заданного значения до 0,001 Тл, что обусловлено гистерезисом ярма и полюсных наконечников электромагнита, а также отклонением аппроксимации от экспериментально установленной авторами зависимости. Производимые средствами измерения электромагнитной индукции замеры, позволяют определить разность между заданным и фактическим значениями, что и осуществляется средствами вычисления. По математической аппроксимации, выраженной, в том числе, полиномиальной зависимостью, определяют добавку к силе тока, подаваемого на основные средства создания магнитного поля. Таким образом, проводится несколько итераций указанной последовательности, до достижения экспериментально установленной разности между целевым и фактическим значениями. Дальнейшая подстройка параметров силы тока с использованием указанного набора средств создания магнитного поля нецелесообразна по причине физических ограничений источника электрического тока и основных средств создания магнитного поля. Далее, производится подключение корректирующих средств создания магнитного поля, соединенных со своим, меньшим по мощности источником питания, и измеряется значение величины магнитного поля в зазоре. Таким образом, последующей подстройкой значения силы тока, достигают стабильного значения магнитной индукции в зазоре электромагнита.The control means enter the target value of the magnetic induction reproduced during the operation of the system in the gap of the electromagnet. Control facilities can be represented by various devices and complexes and are equipped with an interface for communication between the system and the operator. Computing tools, which can be combined with controls, calculate the current generated by the main power supply using a mathematical approximation of an empirically determined relationship. The value of the magnetic induction obtained during the first iteration can deviate from the specified value up to 0.001 T, which is due to the hysteresis of the yoke and pole pieces of the electromagnet, as well as the deviation of the approximation from the experimentally established dependence. Measurements made by means of measuring electromagnetic induction make it possible to determine the difference between the specified and actual values, which is carried out by the means of calculation. By mathematical approximation, expressed, inter alia, by a polynomial dependence, the addition to the current supplied to the main means of creating a magnetic field is determined. Thus, several iterations of the specified sequence are carried out until the experimentally established difference between the target and actual values is reached. Further adjustment of the current strength parameters using the specified set of means for creating a magnetic field is impractical due to the physical limitations of the electric current source and the main means of creating a magnetic field. Further, the correcting means for creating a magnetic field are connected, connected to its own, less powerful power source, and the value of the magnetic field in the gap is measured. Thus, by subsequent adjustment of the current value, a stable value of the magnetic induction in the gap of the electromagnet is achieved.
Установка целевого значения разности между заданным и измеренным значением в диапазоне от
Применяемый настоящим способом подход к вычислению добавки к величине силы тока, подаваемого на средства создания магнитного поля, отличается от традиционной применяемой схемы пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования. Стандартная схема регулирования не применима в случае задания индукции магнитного поля в широком диапазоне значений в силу того, что средства измерения используют несколько датчиков, работающих в различных поддиапазонах индукций, а при использовании стандартной схемы регулирования необходим отклик от средства измерений.The approach used by the present method for calculating the addition to the magnitude of the current supplied to the means of creating a magnetic field differs from the traditional applied proportional-integral-derivative control scheme. The standard control scheme is not applicable in the case of setting the magnetic field induction in a wide range of values due to the fact that the measuring instruments use several sensors operating in different induction subranges, and when using the standard control scheme, a response from the measuring instrument is required.
Расчет силы тока, подаваемой источником питания на основные средства создания магнитного поля, осуществляют по математической аппроксимации экспериментально установленной авторами технического решения зависимости.The calculation of the current supplied by the power source to the main means of creating a magnetic field is carried out according to the mathematical approximation of the dependence experimentally established by the authors of the technical solution.
На последующих итерациях к первоначально рассчитанному значению силы тока, подаваемого на основные средства создания магнитного поля, добавляется или вычитается величина, пропорциональная разности между измеренным и установленным значением магнитной индукции. Таким образом, изменяется не все значение компоненты, вводится добавка к ней. Величина добавки определяется на основе полинома четвертой степени для того, чтобы на всем диапазоне силы электрического тока/индукции обеспечить примерно одинаковое время установления заданного значения с учетом скорости подстройки частоты резонанса средств измерения магнитного поля.On subsequent iterations, a value proportional to the difference between the measured and set value of magnetic induction is added or subtracted to the initially calculated value of the current supplied to the main means of creating a magnetic field. Thus, not all the value of the component changes, an addition to it is introduced. The amount of the additive is determined on the basis of the fourth degree polynomial in order to provide approximately the same time for establishing the set value over the entire range of electric current / induction, taking into account the speed of tuning the resonance frequency of the magnetic field measuring instruments.
После включения в работу дополнительных средств создания магнитного поля сила электрического тока, подаваемая основным источником питания на основные средства создания магнитного поля, фиксируется и начинается изменение силы электрического тока в дополнительных средствах создания магнитного поля. Начальное значение силы тока устанавливается равным половине максимального значения выходной силы тока источника питания для возможности обеспечения как увеличения магнитной индукции в зазоре, так и ее уменьшения.After the additional means of creating a magnetic field are switched on, the electric current supplied by the main power source to the main means of creating a magnetic field is fixed and a change in the strength of the electric current in the additional means of creating a magnetic field begins. The initial value of the current strength is set equal to half the maximum value of the output current strength of the power supply to ensure both an increase in the magnetic induction in the gap and its reduction.
Заявляемую группу изобретений составляет система управления магнитной индукцией в зазоре электромагнита. Из уровня техники известно изобретение по авторскому свидетельству №1721599 «Источник стабильного магнитного поля» (заявитель НПО «Метрология», МПК G05F7/00, дата подачи заявки №4810473 15.01.1990), приведенный в качестве аналога для способа, составляющего группу. Недостатки, указанные таковыми для способа, справедливы и для системы в целом.The claimed group of inventions is a control system for magnetic induction in the gap of an electromagnet. From the prior art, the invention is known according to inventor's certificate No. 1721599 "Source of a stable magnetic field" (applicant NPO Metrology, IPC G05F7 / 00, filing date No. 4810473 01/15/1990), given as an analogue for the method constituting a group. The disadvantages indicated as such for the method are also true for the system as a whole.
Технической проблемой, на решение которой направлена система управления магнитной индукцией, является обозначенная для способа задача.The technical problem to be solved by the magnetic induction control system is the task indicated for the method.
Задача решается следующим образом. Предложена система управления магнитной индукцией в зазоре электромагнита, которая включает электромагнит с воздушным зазором, снабженный основными средствами создания магнитного поля, соединенными с основным источником питания, средства измерений магнитной индукции, размещенными с возможностью измерения магнитной индукции в воздушном зазоре, средства вычисления и управления, связанные со средствами измерения электромагнитной индукции и основным источником питания, отличающийся тем, что снабжена корректирующими средствами создания магнитного поля, соединенными с дополнительным источником питания, меньшей мощности, чем основной источник питания, который соединен со средствами вычисления и управления.The problem is solved as follows. A system for controlling magnetic induction in the gap of an electromagnet is proposed, which includes an electromagnet with an air gap, equipped with the main means for creating a magnetic field connected to the main power source, means for measuring magnetic induction, placed with the ability to measure magnetic induction in an air gap, means of computing and control associated with with means for measuring electromagnetic induction and a main power source, characterized in that it is equipped with correcting means for creating a magnetic field connected to an additional power source of lower power than the main power source, which is connected to the means of calculation and control.
В первом частном случае, система дополнительно характеризуется расположением средств создания магнитного поля вблизи полюсных наконечников электромагнита.In the first particular case, the system is additionally characterized by the location of the means for creating a magnetic field near the pole pieces of the electromagnet.
Во втором частном случае система дополнительно характеризующееся тем, что средства измерения магнитной индукции содержат измеритель магнитной индукции на основе ядерного магнитного резонанса.In the second particular case, the system is additionally characterized in that the means for measuring magnetic induction comprise a magnetic induction meter based on nuclear magnetic resonance.
В третьем частном случае система дополнительно характеризующееся тем, что мощность дополнительного источника питания составляет не более 0,5 % от мощности основного источника питания.In the third particular case, the system is additionally characterized in that the power of the additional power source is no more than 0.5% of the power of the main power source.
Электромагнит с немагнитным (воздушным) зазором снабжен средствами создания магнитного поля, выполненными в виде намотанных на полюсные наконечники катушек, подключенных к собственному источнику питания. Последний позволяет получать сигнал от средств управления и генерировать ток установленной силы. Обратную связь о фактическом значении величины магнитного поля в зазоре электромагнита получают от средств измерений, установленных непосредственно в зазоре. Помимо основных средств создания магнитного поля, система снабжена дополнительными средствами, соединенными с собственным источником питания, который также получает команды от средств управления. Способом, описанным выше, с использованием системы создают стабильное магнитное поле в зазоре, величина которого соответствует заданной оператором с точностью до 10-6 Тл.An electromagnet with a non-magnetic (air) gap is equipped with means for creating a magnetic field, made in the form of coils wound on the pole pieces and connected to its own power source. The latter allows you to receive a signal from the controls and generate a current of a set strength. Feedback on the actual value of the magnetic field in the gap of the electromagnet is obtained from measuring instruments installed directly in the gap. In addition to the main means of creating a magnetic field, the system is equipped with additional means connected to its own power source, which also receives commands from the controls. By the method described above, using the system, a stable magnetic field is created in the gap, the value of which corresponds to the one set by the operator with an accuracy of 10 -6 T.
Снабжение системы дополнительными средствами создания магнитного поля, выполняющими корректирующую функцию, позволяет снизить дрейф силы выходного электрического тока последнего в пределах шага дискретности.The supply of the system with additional means of creating a magnetic field, performing a corrective function, makes it possible to reduce the drift of the strength of the output electric current of the latter within the discreteness step.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами:The proposed invention is illustrated by the following figures:
Фиг. 1 – Общий компонентный состав системы;FIG. 1 - General component composition of the system;
На фигурах обозначены следующие позиции:The following positions are indicated in the figures:
1 – основные средства создания магнитного поля;1 - the main means of creating a magnetic field;
2 – основной источник питания;2 - main power supply;
3 – дополнительные средства создания магнитного поля;3 - additional means of creating a magnetic field;
4 – дополнительный источник питания;4 - additional power supply;
5 – персональный компьютер;5 - personal computer;
6 – измеритель магнитной индукции;6 - magnetic induction meter;
Для понимания принципов работы и особенностей различных реализаций изобретения, ниже приведено описание фигур технического решения. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации изобретения. Соответственно, нет необходимости в ограничении объема правовой охраны технического решения исключительно представленными реализациями и перечнями подсистем, узлов и компонентов. Изобретение может быть реализовано и иначе. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов изобретения специалистом, необходимо уточнить термины, применяемые в описании.To understand the principles of operation and features of various implementations of the invention, the following is a description of the figures of the technical solution. Although the text of the description explains in detail the preferred embodiments of the technical solution, it should be understood that other embodiments of the invention are possible. Accordingly, there is no need to limit the scope of legal protection of a technical solution exclusively to the presented implementations and lists of subsystems, assemblies and components. The invention can be implemented in another way. At the same time, when describing the preferred options for technical solutions, for clarity of understanding the basic principles of the invention by a specialist, it is necessary to clarify the terms used in the description.
Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле узлы и детали устройства, также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное. Например, указание на составной элемент устройства также означает указание на совокупность (множество) таких элементов.It should be noted that the units and parts of the device used in the singular in the description and the claims also represent plural forms, unless the opposite is explicitly stated. For example, referring to a component of a device also means referring to a collection (plurality) of such items.
Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, в частности, термин «стабилизация магнитного поля» означает получение средствами измерения, установленными в зазоре электромагнита результата, с некоторой погрешностью равного значению магнитного поля, заданного средствами управления.Also, specific terms are used in describing the preferred embodiments for clarity of understanding. The term is intended to be used in the broadest sense in which it can be interpreted by those skilled in the art and includes all technical equivalents used in the same manner and for the same purpose. So, in particular, the term "stabilization of the magnetic field" means that the measurement means installed in the gap of the electromagnet obtain a result equal to the value of the magnetic field set by the control means with some error.
Под термином «основные средства создания магнитного поля» понимают электромагнит с воздушным зазором, снабженный намагничивающими катушками. Термин «основной источник питания» относится к электрическому оборудованию, предназначенному для производства или изменения характеристик электрической энергии, в частности, им может быть лабораторный источник питания, обладающий достаточной мощностью для подачи силы тока стабильной величины на средства создания магнитного поля и способного получать сигнал от средств управления. В случае настоящего изобретения, фраза «размещены вблизи» употребляется для описания места установки дополнительных средств создания магнитного поля. Средства создания магнитного поля, в частности, катушки, размещают у полюсных наконечников электромагнита таким образом, что при подаче на них тока посредством источника питания, катушки изменяют величину магнитного поля в зазоре электромагнита так, что это изменение фиксируется средствами измерения. Термин «дополнительные средства создания магнитного поля» относится к системе дополнительных намагничивающих катушек, соединенных со своим источником питания и установленных вблизи полюсных наконечников электромагнита. Термин «поправочный коэффициент» означает введение некоторой математически выраженной величины к силе электрического тока, генерируемого источником питания. Фраза «целевое значение» относится к задаваемой средствами управления величине магнитной индукции, которую оператор желает достичь в зазоре электромагнита. Словосочетание «средства вычисления» характеризует программно-аппаратный комплекс, способный производить математические преобразования получаемых от оператора или компонентов системы данных с последующей передачей результата указанным компонентам с использованием средств управления. Термин «средства управления» отдельный программно-аппаратный комплекс или часть программно-аппаратного комплекса средств вычисления, предназначенный для передачи управляющих команд компонентам системы. Термин «воздушный зазор» означает, в общем смысле, наличие разомкнутого сердечника электромагнита, с образованием немагнитной среды.The term "basic means of creating a magnetic field" means an air-gap electromagnet equipped with magnetizing coils. The term "main power supply" refers to electrical equipment designed to generate or modify the characteristics of electrical energy, in particular, it can be a laboratory power supply with sufficient power to supply a constant current strength to the means of creating a magnetic field and capable of receiving a signal from the means. management. In the case of the present invention, the phrase "placed nearby" is used to describe the installation location of the additional magnetic field means. Means for creating a magnetic field, in particular, coils, are placed at the pole pieces of the electromagnet in such a way that when a current is applied to them through a power source, the coils change the magnitude of the magnetic field in the gap of the electromagnet so that this change is recorded by the measuring means. The term "additional means of creating a magnetic field" refers to a system of additional magnetizing coils connected to its power source and installed near the pole pieces of the electromagnet. The term "correction factor" means the introduction of some mathematically expressed value to the strength of the electric current generated by the power supply. The phrase “target value” refers to a control-driven amount of flux density that an operator wishes to achieve in the electromagnet gap. The phrase "computing means" characterizes a software and hardware complex capable of performing mathematical transformations of the data received from the operator or components of the system with the subsequent transfer of the result to the specified components using control means. The term "control means" is a separate software and hardware complex or a part of a software and hardware complex of computing means intended for transmitting control commands to the system components. The term "air gap" means, in a general sense, the presence of an open core electromagnet, with the formation of a non-magnetic medium.
Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в композиции, предмете или способе, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, шагов способа, даже если такой компонент, материал, часть, шаг способа выполняет ту же функцию, что и указанный.The words "consisting", "containing", "including" mean that at least the specified component, element, part or step of the method is present in the composition, object or method, but does not exclude the presence of other components, materials, parts, steps of the method, even if such a component, material, part, method step performs the same function as the specified one.
Материалы, из которых изготовлены различные элементы настоящего изобретения, указанные ниже при описании примеров конкретного выполнения устройства, являются типичными, но не обязательными для применения. Указанные в настоящих примерах выполнения материалы, могут быть заменены многочисленными аналогами, выполняющими ту же функцию, что и приведенные в описании примеры материалов.The materials from which the various elements of the present invention are made, indicated below in the description of examples of a specific embodiment of the device, are typical, but not required for use. The materials indicated in the present examples of execution can be replaced by numerous analogs that perform the same function as the examples of materials given in the description.
В соответствии с одной из частных реализаций настоящего изобретения, система управления магнитной индукцией в зазоре электромагнита состоит из электромагнита с основными намагничивающими катушками, дополнительно намотанных вблизи полюсных наконечников компенсирующими катушками, лабораторного источника питания большой мощности, лабораторного источника питания малой мощности, измерителя магнитной индукции на основе ядерного магнитного резонанса, персонального компьютера, обеспечивающего управление всеми средствами измерений и вычисление.In accordance with one of the particular implementations of the present invention, the magnetic induction control system in the electromagnet gap consists of an electromagnet with main magnetizing coils, additionally wound near the pole pieces with compensating coils, a high-power laboratory power supply, a low-power laboratory power supply, a magnetic induction meter based on nuclear magnetic resonance, a personal computer providing control of all measuring instruments and calculations.
Система работает следующим образом. При задании в программном обеспечении величины индукции магнитного поля по предварительно заложенному полиному девятой степени выполняется расчет необходимой силы электрического тока для получения заданного значения магнитной индукции. Величина полученной индукции может отличаться от заданной на 0,001 Тл, что связано с гистерезисом ярма и полюсных наконечников электромагнита, а также отклонением полиномиальной аппроксимации от экспериментальной зависимости.The system works as follows. When specifying in the software the magnitude of the magnetic field induction according to the pre-laid ninth degree polynomial, the required electric current is calculated to obtain the specified value of the magnetic induction. The value of the obtained induction can differ from the specified one by 0.001 T, which is associated with the hysteresis of the yoke and pole pieces of the electromagnet, as well as the deviation of the polynomial approximation from the experimental dependence.
Тесламетром на основе ядерного магнитного резонанса выполняется измерение магнитной индукции в зазоре электромагнита. Из полученной разности между заданной и измеренной индукциями с использованием полинома пятой степени рассчитывается добавка к протекающему по намагничивающим катушкам электрическому току. Процедура повторяется до тех пор, пока разность между заданным и измеренным значениями магнитной индукции не станет меньше 
Когда разность между заданным и измеренным значениями магнитной индукции становится меньше
Сила электрического тока в дополнительных катушках при регулировании магнитной индукции в зазоре электромагнита лабораторным источником питания большой мощности составляет 2,5 А. В момент подключения источника питания малой мощности определяется разность между заданной и измеренной индукцией.The strength of the electric current in the additional coils when adjusting the magnetic induction in the gap of the electromagnet with a laboratory high-power power source is 2.5 A. At the moment of connecting the low-power power source, the difference between the specified and measured induction is determined.
Разностный сигнал умножается на пропорциональный коэффициент, который варьируется от 500 до 5000. Полученный результат добавляется к заданной силе электрического тока в дополнительных средствах создания магнитного поля. Параллельно, значения разности величины магнитной индукции между заданным и измеренным значением при каждой цикле измерения записываются в массив из 100 и более элементов. Из данных массива методом скользящего среднего определяется интегральное отклонение экспериментальных значений индукции от заданного значения и умножается на интегральный коэффициент, зависящий от значения задаваемой магнитной индукции и варьирующийся от 0 до 2500. Для борьбы с автоколебаниями и резкими реакциями системы стабилизации на разовые отклонения экспериментальных значений индукции в результате возникновения кратковременных помех предусмотрена возможность ограничения скорости изменения индукции за счет введения поправки, пропорциональной разности сигнала между двумя последующими результатами измерений магнитной индукции. Разность умножается на дифференциальный коэффициент. Как правило значение дифференциального коэффициента равно нулю, однако при перемещении вблизи системы ферромагнетика для сглаживания скачков изменения силы тока в катушках, целесообразно устанавливать коэффициент в диапазоне от минус 1000 до плюс 1000.The difference signal is multiplied by a proportional factor, which varies from 500 to 5000. The result obtained is added to the specified electric current in the additional means of creating a magnetic field. In parallel, the values of the difference in the magnitude of the magnetic induction between the specified and measured values for each measurement cycle are written into an array of 100 or more elements. From the array data using the moving average method, the integral deviation of the experimental values of induction from the specified value is determined and multiplied by an integral coefficient that depends on the value of the specified magnetic induction and varies from 0 to 2500. To combat self-oscillations and sharp reactions of the stabilization system to one-time deviations of the experimental values of As a result of short-term interference, it is possible to limit the rate of change in induction by introducing a correction proportional to the signal difference between two subsequent results of measurements of the magnetic induction. The difference is multiplied by the differential coefficient. As a rule, the value of the differential coefficient is equal to zero, however, when moving near the ferromagnet system, to smooth out the jumps in the change in current strength in the coils, it is advisable to set the coefficient in the range from minus 1000 to plus 1000.
При достижении максимального или минимального значения силы электрического тока дополнительного источника питания происходит изменение силы тока обоих (основного и дополнительного) источников питания таким образом, что значение индукции в зазоре электромагнита не изменилось. Вместе с тем, ввиду различных индуктивностей основных и дополнительных средств создания магнитного поля, происходят колебания магнитной индукции, которые компенсируется системой стабилизации в соответствии с предложенным способом.When the maximum or minimum value of the electric current of the auxiliary power source is reached, the current strength of both (main and auxiliary) power sources changes in such a way that the value of the induction in the gap of the electromagnet does not change. At the same time, due to the different inductances of the main and additional means of creating a magnetic field, fluctuations in magnetic induction occur, which are compensated by the stabilization system in accordance with the proposed method.
Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами конкретного выполнения. Могут быть предложены и иные формы реализации технического решения, не отдаляясь от смысла изобретения.The embodiments of the present invention are not limited to the above specific examples. Other forms of implementation of the technical solution can be proposed without departing from the meaning of the invention.
Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью показать промышленную применимость устройства и дать общее впечатление о возможностях системы и транспондера. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой изобретения, а не представленным описанием, и все изменения, совершенные с применением эквивалентных признаков, подпадают под правовую охрану настоящего изобретения.The above examples of execution are given in order to show the industrial applicability of the device and to give a general impression of the capabilities of the system and the transponder. The scope of legal protection of a technical solution is determined by the claims, and not by the description presented, and all changes made using equivalent features fall under the legal protection of the present invention.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020113449A RU2756776C1 (en) | 2020-04-14 | 2020-04-14 | Method for creating a stable magnetic field and system for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020113449A RU2756776C1 (en) | 2020-04-14 | 2020-04-14 | Method for creating a stable magnetic field and system for implementation thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2756776C1 true RU2756776C1 (en) | 2021-10-05 |
Family
ID=78000134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020113449A RU2756776C1 (en) | 2020-04-14 | 2020-04-14 | Method for creating a stable magnetic field and system for implementation thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2756776C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU964614A1 (en) * | 1980-06-09 | 1982-10-07 | Залаитель (SO УСТРОЙСТВО дл СТАБИЛИЗАЦИИ МАГНИТНОГО пол ЭЛЕКТРОМАГНИТА I- И.В. EapaHOBCKM CfCf J VH t 1}3 i«mi«. / Т«111Ч)М.кд , ««S.1lfOTrj(4 | Device for stabilizing electromagnet magnetic field |
| SU1721599A1 (en) * | 1990-01-15 | 1992-03-23 | Научно-Производственное Объединение "Метрология" | Stable magnetic field source |
| JP4118844B2 (en) * | 2004-07-26 | 2008-07-16 | 株式会社日立製作所 | NMR magnetic field stabilization apparatus and method |
| JP2009180677A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Institute Of Physical & Chemical Research | Magnetic field stabilization mechanism, magnetic resonance apparatus, and electron spin resonance apparatus |
| RU152855U1 (en) * | 2014-12-10 | 2015-06-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | MAGNETIC FIELD STABILIZATION DEVICE |
-
2020
- 2020-04-14 RU RU2020113449A patent/RU2756776C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU964614A1 (en) * | 1980-06-09 | 1982-10-07 | Залаитель (SO УСТРОЙСТВО дл СТАБИЛИЗАЦИИ МАГНИТНОГО пол ЭЛЕКТРОМАГНИТА I- И.В. EapaHOBCKM CfCf J VH t 1}3 i«mi«. / Т«111Ч)М.кд , ««S.1lfOTrj(4 | Device for stabilizing electromagnet magnetic field |
| SU1721599A1 (en) * | 1990-01-15 | 1992-03-23 | Научно-Производственное Объединение "Метрология" | Stable magnetic field source |
| JP4118844B2 (en) * | 2004-07-26 | 2008-07-16 | 株式会社日立製作所 | NMR magnetic field stabilization apparatus and method |
| JP2009180677A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Institute Of Physical & Chemical Research | Magnetic field stabilization mechanism, magnetic resonance apparatus, and electron spin resonance apparatus |
| RU152855U1 (en) * | 2014-12-10 | 2015-06-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | MAGNETIC FIELD STABILIZATION DEVICE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bächle et al. | Nonlinear model predictive control of a magnetic levitation system | |
| US6984979B1 (en) | Measurement and control of magnetomotive force in current transformers and other magnetic bodies | |
| WO2000022447A1 (en) | Magnetic sensor, current sensor, and magnetic sensor element | |
| CN104237818B (en) | Gradient system and gradient magnetic field control method, nuclear magnetic resonance imaging system | |
| CN112782623A (en) | Magnetic moment measuring device and method | |
| JP2013253920A (en) | Magnetic element control device, magnetic element control method, and magnetic detector | |
| US6774618B2 (en) | Magnetic flux sensor and method | |
| US6456059B1 (en) | Non-homogeneous material magnetic flux sensor and method | |
| CN115917333A (en) | Current measuring device with Hall sensor | |
| US9035648B2 (en) | Magnetic sensor characterization | |
| CN111462975B (en) | A magnetic field generating method, synchrotron, storage medium and device | |
| RU2756776C1 (en) | Method for creating a stable magnetic field and system for implementation thereof | |
| Viëtor et al. | Tunable Magnets: Modeling and validation for dynamic and precision applications | |
| US9666343B2 (en) | Magnetic field control | |
| Grech et al. | A magnetic measurement model for real-time control of synchrotrons | |
| Pfützner et al. | Calculated versus measured iron losses and instantaneous magnetization power functions of electrical steel | |
| JP6530693B2 (en) | Electromagnetic controller and electromagnet system | |
| CN113687115A (en) | Constant current source device based on quantum natural reference and implementation method | |
| US20130056454A1 (en) | Apparatus and methods for reducing the ambient magnetic field strength to facilitate arc welding | |
| JP2008259558A (en) | Magnetic field uniformity adjusting device, superconducting magnet device using the same, and magnetic resonance imaging device | |
| JP2008020266A (en) | Superconducting magnet device | |
| Stupakov et al. | Three-parameter feedback control of amorphous ribbon magnetization | |
| Tischer et al. | Phase Shifters for the FLASH2 FEL | |
| Dudding et al. | A pulsed field magnetometer for the qualitiy control of permanent magnets | |
| Grimm et al. | Magnetic measurements with the FLASH infrared undulator |