устройство для определения параметров магнитного поля

Формула изобретения

Устройство для определения параметров магнитного поля, содержащее трехкомпонентный магнитометр с феррозондами и блок управления, при этом феррозонды размещены внутри экранированного рабочего объема и выход каждого из них подключен к информационному входу соответствующего преобразователя информационного сигнала, включающего усилитель, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один трехкомпонентный магнитометр с феррозондами, размещенными за пределами рабочего объема и подключенными к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала, при этом каждый из преобразователей информационного сигнала содержит последовательно соединенные усилитель и синхронный детектор, а выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам одного и того же магнитометра, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор со входом фильтра верхних частот, выход которого соединен, непосредственно или через последовательно соединенное устройство выборки и хранения, с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя АЦП, при этом информационные выходы каждого АЦП соединены с соответствующими входами дополнительно введенного, по меньшей мере двухвходового, цифрового мультиплексора, а блок управления содержит задающий генератор, первым выходом связанный со входами феррозондов, вторым выходом связанный со входами управления синхронных детекторов, а третьим выходом соединенный с синхровходом блока цифровой синхронизации, связанного двунаправленной связью с процессором и соединенного первыми выходами со входами управления аналоговых коммутаторов, а вторыми выходами - со входами управления устройств выборки и хранения, входами управления аналого-цифровых преобразователей и входом управления цифрового мультиплексора, при этом информационный вход процессора подключен к выходу цифрового мультиплексора, а информационный выход процессора связан с блоком индикации или с внешним устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров магнитного поля, в том числе коэффициента ослабления напряженности (индукции) магнитного поля, различной этиологии в экранируемых объемах широкого применения (камерах, боксах и т.д.), а также в объемах с активной компенсацией геомагнитного поля.

Изобретение может быть также отнесено к технике, например, экранирования при проведении медико-биологических исследований в области изучения влияния магнитных полей на биологические и биофизические объекты.

Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды - электромагнитный. К его появлению привело развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, некоторых видов транспорта, а также развитие ряда технологических процессов. В настоящее время мировой общественностью признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью. Введено специальное понятие - электромагнитная экология.

Экранирование (компенсация) электромагнитных полей (ЭМП) является актуальной задачей защиты здоровья, информационной безопасности, электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии жилых помещений, защиты помещений для серверов и/или электронного оборудования.

По сравнению с ЭМП естественного происхождения (естественный электромагнитный фон Земли) техногенные ЭМП обладают на порядки большей интенсивностью и неравномерностью локализации по пространству (Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы // Успехи Физических Наук, 2003, том 173, № 3, с.265-300. Птицына Н.Г., Дж. Виллорези, Л.И. Дорман и др. Естественные и техногенные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // Успехи Физических Наук, 1998, том 168, № 7, с.768-790.).

Выяснение механизмов воздействия электромагнитных полей на биологические объекты является чрезвычайно актуальной задачей, решение которой может позволить в перспективе защитить жизнь и здоровье человека. Для корректной постановки подобных исследований необходимо существенно уменьшить влияние всех действующих ЭМП (включая естественный электромагнитный фон Земли) в некотором ограниченном объеме, достаточном для размещения биологического или биофизического объекта и проведения конкретного эксперимента.

С этой целью проводится измерение коэффициента ослабления поля экранами (либо устройствами компенсаторного типа) различной конфигурации, в том числе в виде замкнутых объемов (камеры, боксы), для чего используются стандартные магнитометры с одним измерительным зондом, например, феррозондом. Сначала измеряют модуль вектора индукции магнитного поля вне объема, а затем внутри. Коэффициент ослабления определяют по отношению результатов этих двух замеров. Процедура таких измерений разделена во времени, что не позволяет производить контроль коэффициента ослабления магнитного поля камерой.

В то же время ряд биофизических задач требует процедуры измерения и контроля коэффициента ослабления магнитного поля камерой именно в реальном времени, т.е. в технологических процессах, в которых контроль коэффициента ослабления магнитного поля является необходимым и обязательным а процедура раздельного измерения невозможна.

Примером такой задачи является технология получения средства, обладающего гелиогеомагнитопротекторными свойствами по патенту РФ № 2342149, МКИ A61K 33/00 опубл. 27.12.2008 г. Указанное средство подвергается длительной экспозиции (не менее 5 часов) в рабочем пространстве экранирующего устройства, обеспечивающего ослабление полного вектора геомагнитного поля не менее чем в 300 раз в сравнении с фоном. Время экспозиции не менее 5 часов не позволяет производить измерение и контроль коэффициента ослабления геомагнитного поля традиционным (разделенным во времени) способом.

Экранирование технических средств передачи информации и помещений, в которых происходит прием, передача и обработка конфиденциальной информации, позволяет снизить уровни электромагнитных излучений до заданных величин.

ГОСТ Р 51724-2001 «Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное. Методы измерений и оценки соответствия уровней полей техническим требованиям и гигиеническим нормативам» регламентирует методы измерения, а также рекомендует серийные магнитометры для этой цели. С учетом требований и регламентов ГОСТа создаются современные устройства и разрабатываются средства определения уровней магнитного поля внутри помещений в зависимости от внешних источников электромагнитного поля. Измерение напряженности (индукции) магнитного поля проводят в контрольных точках в штатных климатических, механических и электромагнитных условиях эксплуатации контролируемых объектов и рабочего места. Один из методов определения уровней магнитного поля по ГОСТу (см. пп.6, 7) заключается в многократном измерении значений модуля вектора напряженности (индукции) внешнего поля, и по сопоставлению полученных результатов измерений определяется значение коэффициента ослабления магнитного поля экранирующей камерой (коэффициента экранирования).

Сложность определения коэффициента ослабления магнитного поля экранирующей камерой заключается в необходимости проведения многократных последовательных измерений модуля вектора индукции внешнего поля и модуля вектора индукции магнитного поля в рабочей зоне (экранирующей камере).

В большинстве известных устройств для обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей основной акцент делается на усовершенствование конструктивных материалов. Традиционно для создания электромагнитного экрана или экранированного объема применяются материалы в виде стальных, медных, алюминиевых листов, фольги («Переносная экранированная камера» (патент РФ № 2345512, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.01.2009); «Экранированный бокс с защищенным от внешнего электромагнитного воздействия внутренним объемом» (патент РФ № 2402892, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.10.2010).

Однако задача обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей не может решаться только в плане усовершенствования конструктивных материалов экранирующих камер.

Известно устройство для исследования влияния электромагнитных полей на биологические объекты (патент РФ № 2454675, МКИ G01R 1/00, 5/00, опубл. 27.06.2012), содержащее магнитный экран в виде куба внутри сферы. Экран, изготовленный по изобретению, обеспечивает экранирование по постоянной и переменной составляющим магнитного поля.

Недостатком этого устройства является то, что в нем не решается задача измерения влияния внешнего магнитного поля на объекты, находящиеся внутри куба.

Известно устройство измерения интенсивности и направления внешних магнитных полей, включающее источник тока и приборы регистрации на полупроводниковых элементах («Apparatus for measuring the intensity and direction of external magnetic fields including power supply and recording units having respective semi-conductor devices», US Patent 4,218,652, August 19, 1980). Данное устройство предназначено для измерения только внешнего магнитного поля.

Известен способ определения оптимальных параметров магнитного поля для регулирования всхожести семян (патент РФ № 2342658, G01N 33/487, G01N 27/74, A01C 1/00, опубл. 27.12.2008), по которому исследуемый объект подвергают одновременному воздействию магнитным полем с частотой 3-300 Гц, напряженностью 0,15-10 А/м и переменным электрическим полем с частотой 1-30 Гц и напряженностью 0,01-0,07 мВ/м.

Недостаток способа заключается в том, что на исследуемый объект воздействует только магнитное поле от внутреннего источника, но не учитывается влияние внешнего магнитного поля.

Известно устройство стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме (патент РФ № 2274870, МКИ G01R 33/02, опубл. 20.04.2006) на основе измерителя магнитного поля, содержащего трехкомпонентный феррозондовый стержневой магнитометр, при этом выход каждого феррозонда подключен к преобразователю информационного сигнала, включающему соединенные последовательно фазовый детектор и усилитель, и блок управления. Измеренные параметры геомагнитного поля используются для формирования компенсирующего воздействия. Рабочий объем является единым для размещения объекта воздействия и магнитометра.

Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Недостаток этого устройства - ограниченные функциональные возможности, поскольку невозможно определение коэффициента ослабления магнитного поля экранирующей камерой (коэффициента экранирования), так как не предусмотрено одновременное измерение магнитного поля внутри и за пределами рабочего объема, т.е. экранирующей камеры.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для определения параметров магнитного поля за счет обеспечения возможности одновременного в реальном времени измерения магнитного поля внутри экранирующей камеры и за пределами на открытом пространстве, т.е. за счет одновременного измерения геомагнитного поля и гипогеомагнитного поля, и определения текущего значения коэффициента ослабления геомагнитного поля экранирующей камерой.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения параметров магнитного поля, содержащее трехкомпонентный магнитометр с феррозондами и блок управления, при этом феррозонды размещены внутри экранированного рабочего объема и выход каждого из них подключен к информационному входу соответствующего преобразователя информационного сигнала, включающего усилитель, согласно изобретению, дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один трехкомпонентный магнитометр с феррозондами, размещенными за пределами рабочего объема и подключенными к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала, при этом каждый из преобразователей информационного сигнала содержит последовательно соединенные усилитель и синхронный детектор, а выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам одного и того же магнитометра, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор со входом фильтра верхних частот, выход которого соединен, непосредственно или через последовательно с ним соединенное устройство выборки и хранения, с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя АЦП, при этом информационные выходы каждого АЦП соединены с соответствующими входами, по меньшей мере, двухвходового цифрового мультиплексора, а блок управления содержит задающий генератор, первым выходом связанный со входами феррозондов, вторым выходом связанный со входами управления синхронных детекторов, а третьим выходом соединенный с синхровходом блока цифровой синхронизации, связанного двунаправленной связью с процессором и соединенного первыми выходами со входами управления аналоговых коммутаторов, а вторыми выходами - со входами управления устройств выборки и хранения, входами управления аналого-цифровых преобразователей и входом управления цифрового мультиплексора, при этом информационный вход процессора подключен к выходу цифрового мультиплексора, а информационный выход процессора связан с блоком индикации или с внешним устройством.

Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведено условное изображение экранированного рабочего объема и приведена блок-схема варианта выполнения предлагаемого устройства для определения параметров магнитного поля на основе двух магнитометров.

На блок-схеме условно изображена экранирующая камера 1, внутри которой образован экранированный рабочий объем, в котором размещен первый трехкомпонентный магнитометр 2 с феррозондами 2.1, 2.2, 2.3, подключенными к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала (на фигуре не показаны), включающих в себя последовательно соединенные усилители 4.1, 4.2, 4.3 и синхронные детекторы 5.1, 5.2 и 5.3 соответственно. Блок 3 управления (на фигуре не показан) управляет работой устройства и включает в себя задающий генератор 7, блок 9 цифровой синхронизации и процессор 10. Феррозонды 14.1, 14.2, 14.3 второго трехкомпонентного магнитометра 14 размещены за пределами рабочего объема и подключены к информационным входам соответствующих преобразователей информационного сигнала (на фигуре не показаны), включающих в себя последовательно соединенные усилители 15.1, 15.2., 15.3 и синхронные детекторы 16.1, 16.2 и 16.3 соответственно. Выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам 2.1, 2.2, 2.3 первого магнитометра 2, являющиеся выходами синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор 8 со входом фильтра 6 верхних частот, выход которого соединен через устройство 11 выборки и хранения или, в зависимости от типа АЦП, непосредственно с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя АЦП 12. Выходы преобразователей информационного сигнала, подключенных к феррозондам 14.1, 14.2, 14.3 второго магнитометра 2, являющиеся выходами синхронных детекторов 16.1, 16.2, 16.3, соединены через соответствующий аналоговый коммутатор 17 со входом фильтра 18 верхних частот, выход которого в зависимости от характеристик и типа используемых АЦП, соединен через устройство 19 выборки и хранения или непосредственно с информационным входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя. Информационные выходы АЦП 12, 20 соединены с соответствующими информационными входами, по меньшей мере, двухвходового цифрового мультиплексора 21. Задающий генератор 7 блока управления 3 первым выходом связан со входами феррозондов 2.1, 2.2, 2.3, 14.1, 14.2, 14.3, вторым выходом связан со входами управления синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3, а третьим выходом соединен с синхровходом блока 9 цифровой синхронизации. Блок 9 цифровой синхронизации связан двунаправленной связью с процессором 10 и соединен первыми выходами со входами управления аналоговых коммутаторов 8, 17, а вторыми выходами - со входами управления устройств 11, 19 выборки и хранения, входами управления АЦП 12, 20 и входом управления цифрового мультиплексора 21. Информационный вход процессора 10 подключен к выходу цифрового мультиплексора 21, а информационный выход процессора 10 связан двунаправленной связью с блоком индикации 22, включающим в себя устройство индикации и блок выбора режима индикации, или с внешним устройством, таким как компьютер (на фигуре не показано).

Устройство работает следующим образом.

Измерение трех компонент вектора индукции Xo, Yo, Zo геомагнитного (внешнего) поля и трех компонент вектора индукции Хг, Yг, Zг гипогеомагнитного (внутреннего) поля производится двумя независимыми измерительными каналами. Оба канала выполнены по идентичным схемам. Напряжение частотой 12,5 кГц с первого выхода задающего генератора 7 поступает на обмотки возбуждения всех шести феррозондов 2.1, 2.2, 2.3, 14.1, 14.2, 14.3. Одновременно напряжение с удвоенной частотой, т.е. с частотой 25 кГц, со второго выхода задающего генератора 7 поступает на соответствующие входы синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3, на информационные входы которых поступают усиленные с помощью усилителей 4.1, 4.2, 4.3, 15.1, 15.2, 15.3 сигналы с выходов феррозондов 2.1, 2.2, 2.3, 14.1, 14.2, 14.3, которые являются результатом преобразования воздействующих на них внешних сигналов (проекции векторов напряженности магнитного поля на их продольную ось) в ЭДС переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой ЭДС пропорциональна значению напряженности магнитного поля, а фаза содержит информацию о направлении вектора напряженности магнитного поля. С целью подавления помех и определения направления соответствующих составляющих векторов напряженности магнитных полей использован метод синхронного детектирования. Сигналы с выходов синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3 через согласующие усилители подаются на два аналоговых коммутатора 8, 17, каждый из которых имеет три информационных входа (по количеству феррозондов), а переключением информационных каналов управляет блок цифровой синхронизации 9, управляемый, в свою очередь, процессором 10 посредством двунаправленной связи, осуществляемой через шину обмена данных в соответствии с алгоритмом работы всего устройства. Каждый из аналоговых коммутаторов 8, 17 поочередно подает сигналы от синхронных детекторов 5.1, 5.2, 5.3, 16.1, 16.2, 16.3 на фильтры 6, 18 верхних частот, срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) которых определяет частотный диапазон работы устройства. Далее сигналы поступают на устройства 11, 19 выборки и хранения, а затем на аналого-цифровые преобразователи 12, 20, синхронизируемые блоком 9 цифровой синхронизации, ведомым процессором 10.

Таким образом, на выходе каждого из аналого-цифровых преобразователей в каждом цикле измерений имеется последовательно три цифровых значения составляющих индукции магнитного поля как внешнего геомагнитного, так и гипогеомагнитного, которые подаются на информационные входы цифрового мультиплексора 21, управляемого соответствующим образом блоком 9 цифровой синхронизации. Информационные данные с выхода цифрового мультиплексора 21 последовательно подаются в процессор 10, который в реальном времени (одновременно) вычисляет модули векторов индукции геомагнитного и гипогеомагнитного поля, а также их отношение, которое и является искомой величиной - коэффициентом ослабления геомагнитного поля или коэффициентом экранирования.

Модуль вектора индукции геомагнитного поля |Bo| определяется как корень квадратный из суммы квадратов составляющих Box, Boy, Boz.

Модуль вектора напряженности гипогеомагнитного поля |Bг| определяется как корень квадратный из суммы квадратов составляющих Bгx, Bгy, Bгz

Коэффициент ослабления магнитного поля определяется как отношение 20 Log |Bо|/|Bг|.

Устройство также содержит блок 22 индикации, обеспечивающий выбор режима индикации и позволяющий выводить на табло устройства индикации измеренные значения интересующих величин.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве количество измерительных каналов может быть легко увеличено в зависимости от производственной необходимости, что позволяет подключить к устройству дополнительные внешние магнитометрические устройства и за счет статистической обработки совокупности результатов измерений индукции внешнего поля уменьшить влияние его неоднородности на конечный результат.