Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Описание приборов типа магнитных весов 321

расходящийся пучок, который, пройдя объектив, надает парал-

лельным пучком на зеркало магнита Ρ под некоторым углом

к его поверхности. Отразившись от зеркала, он снова проходит

объектив и собирается в главной фокальной плоскости FF'

Рис. 134. Магнитная система весов.

в точке С Поэтому, рассматривая в окуляр, мы видим освещен-

ную сетку g и одновременно отраженную от зеркала, которая

является действительным изображением сетки д. Если магнит

отклоняется на некоторый угол, а вместе с ним и зеркало Р> то

Рис. 135. Схема оптической систе- Рис. 136. Шкала магнитных весов,

мы магнитных весов и ход лучей

в ней.

отраженное изображение сетки переместится на двойной угол,

и обе сетки сместятся одна относительно другой. Это смещение

отсчитывается по шкале сетки и является мерой угла отклоне-

ния (рис. 136).

Неподвижная шкала ab имеет сорок делений, из которых

каждое пятое и каждое десятое деления отмечены более длин-

21 Б. М. Яновский

322

Пл.

ными штрихами. Среднее деление, считаемое

за

нулевое, имеет

обычно

или

пятно,

или же

более длинный штрих.

Отраженная шкала

располагается параллельно неподвиж-

ной,

так

чтобы длинные штрихи

не

перекрывали штрихи непо-

движной шкалы. Смещение отраженной шкалы относительно

неподвижной, иначе говоря отсчет, очевидно, равен числу деле-

ний между нулевыми делениями неподвижной шкалы

отра-

женной.

При

этом деления, расположенные

по

одну сторону

нуля, считаются положительными,

а по

другую

—

отрицательны-

ми.

этом случае, когда нулевое деление отраженной шкалы

становится невидимым

окуляре, отсчет производится

по

край-

нему штриху шкалы

прибавляется двадцать делений.

Температурная компенсация магнитных весов

М-2 в

соответ-

ствии

уравнением

(10.26)

может быть осуществлена, если

и α

будут иметь противоположные знаки,

т. е.

когда уравнение

(10.26)

будет иметь

вид:

(10.32)

Это условие осуществляется следующим образом, Иарал-

лельно

оси

магнитной, системы' скрепляются симметрично

два

стержня

из

различных материалов. Вдоль этих стержней могут

перемещаться

по

винтовой нарезке грузики. Стержень, имею-

щий больший коэффициент расширения (цинковый

или

алюми-

ниевый), обращен

северному концу стрелки, другой, имеющий,

меньший коэффициент

(из

инвара), обращен

южному.

На

рис. 134

показан

вид

такой системы, которая состоит

из

магнитов

М\ и М

двух стержней

а и b с

грузиками

ρ и q.

Изменяя положение грузиков,

т. е.

изменяя одновременно

и q, при

надлежащем выборе коэффициентов расширения мож-

но добиться того, чтобы уравнение

(10.32)

удовлетворялось,

т. е.

компенсация была

бы

выполнена.

Магнитометр

М-18,

выпускаемый заводом «Геологоразвед-

ка»,

представляет пример магнитных весов

на

растянутых нитях.

По своему устройству

принципу действия

он во

многом

на-^

поминает магнитометр

BMZ

системы

В. Ф.

Шельтинга:

та же

магнитная система весов,

тот же

принцип компенсации

такие

же компенсационные устройства

вращающимися магнитами.

Отличием является лишь

то. что

компенсация большей части

вертикальной составляющей осуществляется кручением нити.

Прибор, выпускаемый заводом, настраивается

на

величину

48 000 у-

Разность

же Ζ

—

компенсируется

при

помощи

двух вращающихся магнитов.

Схематическое устройство магнитометра

М-18

показано

на-

рис.

137.

Магнит

зеркалом

форме буквы

подвешен

на рас-;

тянутой кварцевой нити. Отражающим зеркалом служит поверх-

ность самого магнита. Компенсационные магниты располагают-

Относительные методы измерения

э. з. м.

Описание приборов типа магнитных весов

323

324

Относительные методы измерения

э. з. м. [гл.

ся сбоку

снизу

от

магнита

зеркалом. Один

из них,

называе-

мый магнитом плавной компенсации, служит

для

компенсации

разности

ΔΖ = /Z

— Zo/

< 3000 γ

путем непрерывного вращения.

Угол, составляемый

его

осью

горизонтальной плоскостью,

как

магнитометре

ΒΜΖ,

отсчитывается

по

кругу

служит

ме-

рой

ΔΖ.

Второй магнит, называемый диапазонным, дает возможность

компенсировать

ΔΖ в

пределах

от 3000 у до 27 000 γ

путем вра-

щения магнита ступенями

на

углы, определяемые формулой

8)·

Нетрудно видеть,

что

каждая ступень этих углов дает прира-

щение вертикальной составляющей

на 3000 у.

Круг (шкала магнитометра) имеет

600

делений, градуиро-

ванных

единицах напряженности поля. Каждое деление соот-

ветствует

10 у, т. е.

цена деления

ε = 10

у/дел.

Магнитометр температурной компенсации

не

имеет, поэтому

требует измерения температуры, которое производится

по

тер-

мометрам, вмонтированным

корпусе прибора. Однако темпе-

ратурный коэффициент невелик

составляет

y/ejmdC

Градуировка шкалы прибора,

также определение величины

каждой ступени должно производиться

на

обсерватории.

Величина

ΔΖ,

измеренная этим прибором,

как

видно, полу-

чается путем сложения отсчета

по

шкале магнитометра

соот-

ветствующим знаком

отсчета диапазонного магнита, умножен-

ного

на

величину ступени.

Вес прибора

треногой

без

упаковки

7,4 кг.

Внешний

вид

прибора показан

на рис. 138.

Феррозонды

магнитным насыщением

С появлением сплавов высокой магнитной проницаемости

типа пермаллой появилась возможность применения метода

ин-

дукции

мягких магнитных сердечниках

для

измерения малых

значений напряженности магнитного поля.

Впервые такой метод

был

применен

для

измерения наклоне-

ния

магнитных вариаций вертикальной составляющей

[80] и

описан

в § 3 гл; IX.

Однако

этом методе

в том

виде,

как он

описан, применение пермаллоя оказалось невозможным из-за

непостоянства показаний прибора.

При

одной

и той же

величине

наклонения прибор давал показания, отличающиеся друг

от

друга

пределах нескольких минут. Этот разброс показаний

обусловлен

тем, что

проницаемость пермаллоя

открытой цепи

в значительно большей степени зависит

от

механических воздей-

ствий,

чем это

имеет место, например,

мягкого железа. Опыты

показали,

что при

малейшем ударе

или

легком постукивании

§7]

Феррозонды « магнитным насыщением 325

намагниченность пермаллоя резко возрастает и вызывает откло-

нение подвешенного магнита. Поэтому для устранения этого

явления необходимо было бы пластинки довести до состояния

наибольшей намагниченности в данном магнитном поле путем

повторных постукиваний. Однако такой способ приведения пла-

стинок в устойчивое магнитное состояние явился бы непрактич-

ным и мало надежным. Ввиду того что действие переменного

магнитного поля эквивалентно действию механических сотрясе-

ний, приведение в устойчивое состояние может быть достигнуто

действием на образец переменного поля.

Кроме того, применение переменного поля позволило, ис-

пользуя индукционный эффект его, заменить наблюдения углов

отклонения постоянного магнита наблюдением электродвижу-

щей силы и тем самым расширить возможность, применения

этого метода в различных условиях.

Так как при наложении переменного магнитного поля срав-

нительно небольшой амплитуды на постоянное пластинки пер-

маллоя приходят в состояние насыщения, то они получили назва-

ние магнитонасыщенных феррозондов.

Принцип измерения напряженности магнитного поля при по-

помощи феррозондов основан на том, что проницаемость пермал-

лоя по отношению к переменному полю является функцией на-

пряженности постоянного магнитного поля Н, в котором он

находится. Поэтому при питании первичной обмотки, навитой

на пластинку, переменным током во вторичной обмотке индуци-

руется э.д.с, зависящая от Я.

Схемы же питания, а также измерительные схемы могут быть»

различными, и поэтому приборы с феррозондами по своей кон-

струкции могут значительно отличаться друг от друга.

Большое применение получили приборы, в которых э.д.с. во

вторичной обмотке возникает за счет четных гармоник, которые

образуются при действии на образец постоянного поля. При

отсутствии же постоянного поля и при синусоидальном напря-

жении, приложенном к первичной обмотке, во вторичной обмот-

ке могут быть только гармоники нечетных порядков. Действи-

тельно, величина индукции в образце, если пренебречь явлением

гистерезиса, не зависит от направления приложенного магнит-.

ного поля, поэтому при изменении фазы переменного поля На

180° в первичной обмотке абсолютная величина индукции долж-

на оставаться той же самой, в то время как знак ее изменится на

обратный, что возможно в том случае, если в разложении индук-

ции в ряд Фурье в нем будут отсутствовать члены, содержащие

гармоники четных порядков.

При наложении постоянного поля индукция в образце будет

определяться одновременным действием этого поля и состав-

326

Относительные методы измерения

э. з. м.

ляющей переменного поля. Ясно,

что

суммарное поле

при

раз-

личных направлениях переменного тока будет различно,

и,

слег

довательно, индукция

образце будет также различна,

т. е. при

изменении фазы переменного поля

на 180°

индукция может

ме-

нять

не

только свой знак,

но и

величину,

что в

свою очередь

возможно лишь

при

наличии четных гармоник.

Преимуществом четных гармоник является также

то

обстоя-

тельство,

что при

перемене знака постоянного поля четные гар-

моники также изменят свой знак,

а это

дает возможность

не

только измерять величину напряженности постоянного магнит-

ного поля,

но и

определять

его

направление.

Это Положение легко можно доказать чисто математически.

Уравнение основной кривой намагничивания

при

разложении

ее

в ряд по

степеням

H не

может иметь членов четных степеней,

так

как при

изменении знака

индукция меняет лишь знак,

но

не величину. Поэтому

мы

можем написать

при

(10.33)

При наложении постоянного поля

индукция

выразится

уравнением

или после возведения двучлена

степень

{2п + 1)

(10.34)

Уравнения

(10.33) и (10.34)

показывают,

что при

отсутствии

поля

Н\

индукция содержит лишь нечетные гармоники, тогда

как

при

наличии

Н\ в ней

появляются

четные гармоники.

Во всех существующих схемах

э. д. с.

четных гармоник непо-

средственно

не

измеряется,

служит лишь индикатором того,

что измеряемое постоянное поле скомпенсировано полем катуш-

ки,

которой помещается феррозонд. Таким образом, измеряе-

мой величиной является сила тока компенсирующей катушки,

пропорциональная напряженности магнитного поля.

При

этом

компенсация осуществляется автоматически.

Феррозонды с магнитным насыщением

327

Простейшая блок-схема, использующая вторые гармоники,

показана на рис. 139. От генератора переменного тока Г часто-

той около 1000 гц ток, пройдя через фильтр Ф-/, поступает в об-

мотку зонда w

с определенной частотой /. Появляющаяся на

зажимах этой обмотки вследствие самоиндукции э. д. с. с удвоен-

ной частотой 2/ подается на вход усилителя УС через фильтр

Ф-Л, настроенный на частоту 2/. На этот же вход подается с той

же частотой 2f и напряжение от генератора. После усиления ток

выпрямляется и поступает в компенсационную обмотку т

, маг-

нитное поле которой компенсирует измеряемое земное поле.

Рис. 139. Блок-схема магнитометра с одним зондом.

В момент компенсации четные гармоники отсутствуют, и по-

этому на вход усилителя будет поступать только напряжение от

генератора. При изменении величины поля компенсация нару-

шится, и появятся вторые гармоники, э. д. с. которых поступит

на вход усилителя и изменит ток на выходе усилителя. Такое

изменение будет происходить до тех пор, пока ток в обмотке w

не восстановит компенсацию.

Второй схемой, широко применяемой в современных прибо-

рах, является схема с двумя зондами, показанная на рис. 140.

Переменный ток включается последовательно в две обмотки,

навитые на каждый из зондов. При этом обмотки соединяются

так, что магнитные поля в них прямо противоположны, и, следо-

вательно, общий магнитный момент обоих зондов в отсутствии

внешнего поля равен нулю. Вторичная обмотка охватывает оба

зонда одновременно, и поэтому э. д. с. индукции в ней появляет-

ся лишь при наличии внешнего магнитного поля, когда зонды

получают постоянную слагающую индукции В. Так как фазы

переменного тока в первичных обмотках противоположны, то

индукция в каждом из стержней изменится на одну и ту же ве-

личину, при этом разность ΔΒ будет изменяться с частотой 2f.

Вследствие этого во вторичной обмотке возникает э.д. с. с ча-

328

Относительные

методы измерения э. з. м.

[гл.

стотой 2/. Действительно, согласно уравнению

(10.34),

в одном

из зондов в выражении для индукции все члены будут иметь

положительные знаки, во втором же, ввиду обратного направле-

ния амплитуды переменного поля Н

, нечетные гармоники будут

входить с отрицательными знаками, а четные — с положитель-

ными. Поэтому разность индукций АВ в зондах определится

уравнением:

АВ = 2^

271+1

[ №«+» + (2η+

) Н^е*™' +

(2«+±)2»

№

..,

№ο

,«-.ι

]

а электродвижущая сила —

<5 =2#iJ^

μ2η+ι[ί(2Λ+1)2ηω//

β«

ηωί

-τ-

(10.35)

Эти уравнения показывают, что амплитуды

э.

д. с. четной гармоники пропорциональны

напряженности измеряемого постоянного поля.

Наконец, можно отметить третий тип схе-

мы,

применяемой в магнитометрах. Это схемы

с большим переменным насыщением

По

существу это та же самая схема, представлен-

ная на рис. 140, но здесь зонды, подвергаются

действию переменного поля с большим значе-

нием амплитуд. Вследствие этого намагничен-

ность их при каждом изменении направления

тока в первичной обмотке достигает насыще-

ния раньше, чем переменное поле достигает

своего максимального значения. Таким обра-

зом, в продолжение каждого полупериода бу-

дут существовать промежутки времени, .когда индукция в зондах

принимает постоянное значение, соответствующее насыщению,

и э. д. с. в это время делается равной нулю, поэтому зависимость

э.

д. с. от времени графически будет представлять собой ряд

пикообразных кривых, расположенных по очереди в положитель-

ной и отрицательной частях плоскости и разделенных между

собой нулевыми значениями ординат. Эти кривые, как показы-

вают осциллопрафические записи, имеют не симметричный вид,

а именно: нарастание э. д. с. от нуля до некоторого максимума

происходит постепенно, а возвращение к нулевому значению —

очень быстро. Такая несимметрия объясняется вихревыми токами

в сердечнике, которые препятствуют быстрому нарастанию ин-

дукции в зонде.

Рис.

140. Схема

магнитометра

двумя

зондами.

Феррозонды

магнитным насыщением

329-

Чтобы показать

это

аналитически, апроксимируем основную

кривую намагничивания тангенсоидой, считая,

что по оси

орди-

нат откладываются тангенсы,

а по оси

абсцисс дуги. Такое

представление вполне допустимо,

так как

сопоставление основ-

ной кривой намагничивания пермаллоя

тангенсоидой, пред-

ставленное

на рис. 141,

показывает,

что

экспериментальные

теоретические кривые

пределах точности измерения почти

со-

впадают.

Рис.

141.

Основная кривая намагничивания желе-

за Армко

(/) и

тангенсоида

(2).

Уравнение основной кривой, апроксимируемой тангенсоидой,

можно выразить

следующем виде:

£=-£

arct

(10.36)

По

где

— индукция, соответствующая

Η = оо и Н

— напряжен-

ность магнитного поля, соответствующая

В= .

Если

на

образец действует только переменное поле,

то

В=-В

arctgcos<i)t.

Обозначим

=h,

площадь сечения образца через

тогда

По

электродвижущая сила представится уравнением:

2 η о

sin ω/

S(ù—rz

ζ——. (10.37)

ne 1+ h

cos

<ùt

Максимальное значение

<§,

соответствующее фазе

ωί = 90°,

будет:

Scoh,

(10.38)

330

Относительные методы измерения

э. з. м.

[гл.

т.

е.

пропорционально величине насыщения

гл

частоте

ω и

отношению

—

по

На

рис 142

представлены кривые, соответствующие уравне-

нию

(10.37) для

трех различных параметров

10 и 20, из

которых видно,

что

кривые имеют пикообразный

вид, и с

увели-

чением

амплитуда

<§

растет,

ширина пика уменьшается.

Рис.

142. Э- д. с

индукции

при

различных параметрах

Л.

При наложении постоянного поля напряженностью

выра-

жение

(10.36) для

индукции принимает

вид.

2_ . #

//,

В=-В

arctg—т.—,

По

а выражение

(10.38) для

э.д.с.—

5 = —

S»,

_*ΐϋΐϊ' (

,0.39)

лс

-h

(Л

cos

ο)Γ

Λι)

где

= —

В этом случае максимальное значение

будет получаться

при значении

ωί,

близком

значению, удовлетворяющему урав-

нению:

cos ш =

—

^-гг

= ——.