Содержание к диссертации
Введение
1 Наведенная магнитная анизотропия в природных и искусственных ферримагнетиках 13
1.1 Объект исследований 13
1.2 Измерение скомпенсированных дифференциальных петель гистерезиса намагниченности 14
1.3 Основные эффекты памяти наведенной магнитной анизотропии 19
1.4 Температурная память НМА 23
1.5 Выводы 27
2 Влияние давления на температурную память НМА ферримагнетиков 28
2.1 Зависимость эффектов наведенной магнитной анизотропии от давления 28
2.2 Влияние давления на температурную память НМА 31
2.3 Комплексная аналитическая модель влияния давления и температуры на эффекты НМА 41
2.4 Выводы 53
3 Автоматизация измерений параметров наведенной магнитной анизотропии ферримагнетиков 55
3.1 Состояние и потребности в области автоматизации ТП 59
3.2 Самонастраивающиеся системы. Управление при неполной информации 60
3.3 Принципы построения самонастраивающихся систем 64
3.4 Структурная схема измерительного блока устройства для исследования наведенной магнитной анизотропии 68
3.5 Функциональная схема измерительного блока устройства для исследования наведенной магнитной анизотропии 76
3.6 Выводы 85
4 Принципиальная схема установки изучения эффектов магнитной памяти НМА ферримагниткых материалов 86
4.1 Программируемый преобразователь уровня 86
4.2 Выбор типа фильтра и расчет на трех диапазонах 90
4.3 Предварительные усилители для согласования с программируемым преобразователем уровня 109
4.4 Цифровая часть схемы. Схема управлением работой блока. Функционирование устройства 115
4.5 Выводы 117
5 Обработка результатов измерений 118
5.1 Цифровой фильтр 120
5.2 Первичная обработка сигналов 130
5.3 Выводы 140
Заключение 141
Список использованных источников 144
- Измерение скомпенсированных дифференциальных петель гистерезиса намагниченности
- Комплексная аналитическая модель влияния давления и температуры на эффекты НМА
- Структурная схема измерительного блока устройства для исследования наведенной магнитной анизотропии
- Предварительные усилители для согласования с программируемым преобразователем уровня
Введение к работе
В геофизике существует раздел, называемый «магнетизмом горных пород». В этом разделе изучают магнитные свойства ферримагнитных минералов, входящих в состав горных пород. Особое место среди исследований этих свойств занимает изучение способности магнитных минералов хранить информацию об условиях своего образования и существования. Магнитное поле Земли, температура, давление со стороны окружающих толщ, действующее на породы во время их образования во многом определяют наличие в них тех или иных полезных ископаемых. Повторные нагревы пород, проходящие по тем или иным причинам в других условиях в течение различных геологических периодов их существования, могут сильно изменить исходный состав пород.
В случае наличия в породах магнитных минералов те же самые нагревы, магнитное поле, давление действовавшие на них в те или иные геологические периоды, создавали в породах определенную магнитную структуру. Эта структура хранит память об условиях своего образования. Причем память эта может быть как долговременная, так и кратковременная, и магнитная текстура породы может одновременно хранить информацию о температурах и магнитных полях, действовавших на нее в разные периоды вплоть до совсем недавних. Когда говорят о магнитной памяти горных пород, то часто подразумевают использование ее в исследовании палео-напряженности или палеотемпературы. Однако следует помнить, что магнитная структура ферримагнитных минералов «запоминает» не только далекие во времени «палеоусловия» существования породы, но и сравнительно недавние воздействия на породу тех или иных факторов.
Например, при землетрясениях вблизи вулканов породы подвергаются воздействию, как различных давлений, так и температур. При этом породы находятся в геомагнитном поле. В результате совокупности действий на них всего набора изменяющихся внешних факторов (включая давление,
температуру, магнитное поле и т.д.) магнитная структура ферри магнитно го минерала может измениться таким образом, что зафиксирует все эти воздействия. Важнейшим условием образования той или иной магнитной текстуры является наличие постоянного геомагнитного поля.
Изучение способности ферримагнитных минералов сохранять информацию о палеотемпературе и палеодавлении дает возможность лучше понять механизм образования минералов и прогнозировать их нахождение в породах. Реконструкция палеотемператур важна в рудной геофизике, как с теоретической точки зрения, так и с практической — при выработке поисковых критериев зон оруднения, а также для понимания процессов, происходящих в недрах Земли.
В применении к изучению условий, в которых образовались ферри магнитные минералы, методы магнетизма горных пород в первую очередь включают в себя методы определения напряженности (палеонапряженности) и направления древнего магнитного поля Земли (Ндр). Большинство из этих методов подразумевает нагрев и охлаждение образцов горных пород в магнитном поле лаборатории и сравнение природной и лабораторной намагниченностей образцов. Каждому методу присущи как достоинства, так и недостатки. Ведутся разработки новых способов определения Ндр. Для этого исследуются физические свойства пород и синтетических ферримагнетиков, ведется поиск новых эффектов магнитной памяти. При этом из-за большого разнообразия физических свойств пород при экспериментальных исследованиях их магнитных свойств иногда обнаруживаются новые явления, не известные в физике ферримагнетиков и технике ферритов.
Необычный метод определения напряженности Нэр был предложен В. А. Шашкановым и В. В. Металловой, сотрудниками научно-исследовательского института физики Санкт-Петербургского государственного университета [I, 2]. В основу этого метода было положено открытое авторами явление, наблюдавшееся на многих горных породах, содержащих
ферримагнитные минералы. Известно, что величины идеальной (1П) и идеальной парциальной (1ф1) памагниченностей при создании их в ферримагнитных материалах в некотором переменном магнитном поле (h) прямо пропорциональны величине постоянного намагничивающего поля (Н) (при малых напряженностях Н). Идеальная (или, как говорят в технических науках, безгистерезисная) намагниченность создается следующим образом: на образец магнетика действует постоянное магнитное поле (как правило, от долей эрстеда до нескольких эрстед) и одновременно образец подвергается воздействию переменного магнитного поля, амплитуда которого меняется от некоторого значения (от первых сотен или тысяч эрстед) до нуля. Если начальная амплитуда h равна или превышает поле насыщения (Hs) данного ферримагнетика, то говорят о полной идеальной намагниченности. Если же амплитуда переменного поля меньше Н5, то в образце возникает парциальная идеальная намагниченность. В интервале напряженности постоянных магнитных полей от нуля до первых эрстед функции Гп = f(H) и 1ф, = f(H) как правило, являются линейными (независимо от вида ферримагнетика).
Если нагреть ферримагнетик до некоторой температуры (большей пли меньшей его температуры Кюри (Тс)), а затем охладить в постоянном магнитном поле Нт, то в нем возникает термонамагниченность. Во многих термо намагниченных минералах, как показали В. А. Шашканов и В. В. Металлова, происходит нарушение линейности зависимостей 1Г1= f(H) и 1гр1 = f(H). Причём нарушения линейности этих функций наблюдаются в области полей Н, близких по величине полю, в котором происходило термонамагничиваиие (т.е. полю Нт). Этот эффект назван «эффектом нелинейности Irpi = f(H)». В работах [1,3] была выдвинута гипотеза о том, что эффект нелинейности обусловлен теми же причинами, что приводят к появлению перетянутых частных петель гистерезиса намагниченности феррнмагнетиков (перминвар-эффект [4]). Перминвар-эффект вызывается диффузионной стабилизацией некоторой части доменных границ ферримагнетика, возникновением «гигантских» потенциальных барьеров на
пути движения границ (и, как следствие, появлением «гигантских» скачков Баркгаузена), т.е. возникновением так называемой наведённой магнитной анизотропии (НМЛ) [4].
Перетянутые петли гистерезиса впервые наблюдались Эльмином (1928 г.) на сплавах никеля и кобальта; на ферритах состава Fe3.xCox04 их наблюдали Като и Такеи (1933 г.). Теоретическое обоснование перминвар-эффекта появилось в пятидесятых годах в работах Нееля (1954), Танигучи (1954, 1955) и др. [4]. На горных породах первым наблюдал перетянутые петли гистерезиса Радхакришнамурти (1969 г.) [5]. Затем перетянутые петли наблюдались на магнетите, титаномагнетитах, марганец-цинковых ферритах и т.п. Диффузионным процессам в ферримагн етиках и скачкам Баркгаузена посвящены, например, работы [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34]. Большой вклад в рассмотрение вопросов диффузионной стабилизации границ внесли Ю. Д. Тропин и В. И. Трухин [20, 21, 22, 23]. В частности, Ю. Д. Тропик наблюдал при низких температурах смещенные перетяжки на частных петлях гистерезиса монокристаллов магнетита [21]. Перетянутая в районе нулевого магнитного поля частная петля гистерезиса указывает на понижение начальной магнитной восприимчивости (дезаккомодацию ssH)- По вопросам, связанных с дезаккомодацией магнитной восприимчивости или проницаемости опубликовано очень много теоретических и экспериментальных работ. Даже их простое перечисление в данной диссертации не представляется возможным. В конце диссертации приведены ссылки лишь на некоторые из них [4, 7, 8, 9, 10, 12, 17, 18, 19, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 33, 34].
Перетянутая в нулевом магнитном поле частная петля гистерезиса приведена на рисунке 1 а. Как показали эксперименты [35, 36, 37, 38, 39, 40], в результате термонамагничивания образца ферримагнетика в магнитном поле Нт (т.е. в результате его охлаждения от некоторой температуры в поле Нг) перетяжка на частной петле магнитного гистерезиса может наблюдаться в районе магнитных полей, близких по напряжённости полю
термообработки. Схематично подобная петля гистерезиса показана на рисунке 1 б. Реальные перетяжки подобного вида как правило на полтора-два порядка меньше и не видны на обычных частных петлях гистерезиса (ЧПГ). Для их наблюдения разработан специальный метод измерения ЧПГ. О нем подробно будет сказано в 1-ой главе. Физические процессы, вызывающие появление перетяжки, несущей информацию о поле термообработки, во многом подобны процессам, приводящим к обычной перетяжке в нулевом поле.
Исследования показали [35, 39] также, что после термонамагничивания горной породы в постоянном магнитном поле возможно возникновение асимметричных петель гистерезиса не обладающих перетяжкой. Схематично подобная петля показана на рисунке 1в. Реальная асимметрия ЧПГ также на полтора-два порядка меньше.
Магнитная структура ферримагнетика, сложившаяся в результате его термообработки в магнитном поле, может сохранять информацию и о температуре обработки. Если образец был нагрет до некоторой температуры Тх, меньшей, чем температура Кюри (Тс) его ферримагнитной компоненты, а затем охлаждён в магнитном поле до комнатной температуры (Тк), то его частная петля гистерезиса может быть либо чисто асимметричной (без перетяжек), либо асимметричной перетянутой. При последующем нагреве перетяжка и асимметрия сохраняются только до температуры Тх и исчезают при более высоких температурах (рисунок 1 штриховые линии).
Как уже было сказано, перетянутые петли гистерезиса обусловлены возникновением в ферримагнетике наведённой магнитной анизотропии. Асимметричные петли гистерезиса связаны с остаточной намагниченностью [35, 39]. Магнитная память обоих эффектов обусловлена диффузионной стабилизацией доменных границ. Кроме того, оба эффекта анизотропны: наиболее ярко они наблюдаются при измерении петель гистерезиса вдоль направления создавшего их поля. В работах [35, 38, 39] показана тесная связь между этими эффектами. В тех же работах приведены доказательства тому,
что термин «наведённая магнитная анизотропия» (НМЛ) применим и к состоянию ферр и магнетика, вызывающему появление асимметричных петель гистерезиса. Термин НМА относится к определённому магнитному порядку, созданному в природном минерале или искусственном ферримагнетике в результате термомагнитной обработки, т.е. НМА связана с созданием в ферримагнетике при термомагнитной обработке неоднородного пространственного распределения и заполнения магнитных фаз - так называемой магнитной текстуры.
В дальнейшем мы будем пользоваться НМА, поскольку термин «магнитная текстура» много, шире, чем понятие наведенной магнитной анизотропии. Именно эффекты памяти НМА и конструируемая для их изучения аппаратура рассматриваются в данной диссертации.
Перетянутые петли гистерезиса наблюдаются исключительно на образцах, содержащих многодоменные (т.е. относительно большие) ферримагнитные частицы. Для определения доменности образцов обычно использовались методы, описанные в работах [41, 42, 43, 44].
До сих пор не исследованы многие свойства НМА. Так, например, не ясны многие аспекты влияния на эффекты НМА давления. Да и сами эффекты магнитной памяти НМА исследованы далеко не до конца. До сих пор не были до конца разработаны новые устройства для исследования как самой наведенной магнитной анизотропии, так для применения ее свойств для определения условий, в которых она была создана.
При всей важности исследования свойств НМА и разработке методов, позволяющих использовать эти свойства в отраслях народного хозяйства (например, в век информационных технологий очень важной является проблема хранения информации: и текущее, и длительное, — эффекты памяти НМА исследовались на устаревшем оборудовании, (использованные устройства позволяли исследовать параметры НМА лишь трудоемкими ручными методами с фиксацией изображений петель гистерезиса с помощью осциллографа, что было связанно с большими затратами времени, и кроме
в)
а) - перетянутая в нулевом магнитном поле частная петля магнитного гистерезиса, б) - перетянутая в поле термообработки частная петля магнитного гистерезиса, в) - асимметричная частная петля магнитного гистерезиса.
Сплошной линией показаны петли при температуре Т < Тх, пунктиром - при Т > Тх, где Тх - температура термообработки. Эффекты бив показаны сильно увеличенными, Реальные эффекты на один-два порядка меньше
Рисунок 1 - Схематические изображения частных петель магнитного
гистерезиса
того не позволяло проводить ряд наблюдений из-за быстротечности исчезновения эффектов).
В применении к горной промышленности следует отметить, что не существовало единого мобильного устройства, которое можно было бы использовать в полевых условиях в гео лого-геофизических отрядах для предварительного экспресс-анализа магнитных свойств пород.
Цель работы.
Автоматизация измерений и контроля параметров наведенной магнитной анизотропии ферримагнитных материалов.
На защиту выносятся следующие положения.
Метод исследования и принципы построения цифровых устройств для измерения и контроля слабых эффектов магнитной памяти ферримагнитных материалов второго порядка малости.
Алгоритм для компьютерного анализа магнитной памяти НМА ферримагнитных материалов и магнитных минералов.
Эффект влияния давления на температурную память наведенной магнитной анизотропии.
Комплексная физико-математическая модель влияния давления и температуры на эффекты PIMA,
Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях «Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург, 2000, 2002, 2004), на международном семинаре по геомагнетизму (геофизическая обсерватория «Борок» Объединенного Института Физики Земли РАН, 2002, 2003), на Всероссийской конференции «Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды» (Рыбинск, 2001).
Автор благодарит В. С. Вечфинского за руководство работой и Д. С. Великанова за помощь в разработке и конструировании аппаратуры. Автор также благодарит В. А. Цельмовича (старшего научного сотрудника геофизической обсерватории «Борок» ОИФЗ РАН) за предоставление образцов пород и синтетических ферримагнетиков и их анализ на электронно-зондовом микроанализаторе «Camebax».
Измерение скомпенсированных дифференциальных петель гистерезиса намагниченности
Для измерения частных петель гистерезиса (ЧПГ) намагниченности использовалась установка, блок-схема которой представлена на рисунке 2. Измерение ЧПГ проводилось следующим образом. В соленоиде при помощи блока формирования синусоидального поля (БФСП) задавалось переменное синусоидальное магнитное поле частотой 1 кГц (амплитуду этого поля можно было изменять в пределах от 0 до 50 Э). Внутри соленоида располагался датчик, состоящий из двух идентичных измерительных обмоток, включенных встречно. Датчик можно было перемещать внутри соленоида вдоль его оси.
При отсутствии образца внутри датчика ЭДС, наводимые в измерительных обмотках, равны. Так как обмотки включены встречно, то сигнал на выходе датчика отсутствует. При внесении образца в одну из обмоток датчика на выходе возникал сигнал разбаланса (ЭДС), пропорциональный производной по времени от намагниченности образца. Усиленная в усилителе блока обработки сигнала (БОСВЭ) вторичная ЭДС подавалась на вход фильтров, настроенных на 1-ю и 2-ю гармоники сигнала. С помощью усилителя можно было регулировать чувствительность измерения ЭДС, образующую в данном случае частную дифференциальную петлю гистерезиса образца (ДПГ). Наличие фильтров для подавления 1-ой и 2-ой гармоник сигнала объясняется следующим образом [36].
Перемещая датчик вдоль оси соленоида, можно добиться такого соотношения полей hj и h2, что первая гармоника ЭДС, возникающая в обмотке с образцом (т.е. A-n-S-(o-h-cos(co)), частично скомпенсируется. Таким образом, можно избавиться от обратимой части намагниченности, которая не несет сведений об НМА, и лишь перегружает измерительный канал, и измерять так называемые скомпенсированные дифференциальные петли гистерезиса (СДПГ). Принципы измерения СДПГ описаны также в работах [36, 46]. Наличие фильтров в устройстве сопряжения позволяет более полно подавить 1-ую и 2-ую гармоники ЭДС, что дает возможность выделить сигнал, несущий информацию о НМЛ с лучшим соотношением сигнал/шум. Тем самым обработке подвергается сигнал действительно необходимого диапазона амплитуд и анализируется лишь та часть намагниченности, которая обусловлена нелинейными процессами, происходящими в ферримагнетике при его намагничивании.
Представленное здесь устройство для измерения 4111 более совершенно, чем описанные в [36, 37]. Оно имеет не только большее изменение чувствительности к сигналу (адаптируется к амплитуде входного сигнала), но и позволяет автоматизировать процесс измерения и анализа результатов. Ранее использованные устройства позволяли исследовать параметры НМА лишь трудоемкими ручными методами, что было связанно с большими затратами времени, и кроме того, не позволяло проводить ряд наблюдений из-за быстротечности исчезновения эффектов. При этом приводимое в данной работе устройство позволяет не только автоматизировать процесс исследований и измерений параметров НМА ферримагнетиков, но и наблюдать короткоживущие перетяжки, возникающие под действием переменного магнитного поля, и контролировать изменение их во времени. Фильтр, подавляющий 1-ю гармонику, делает необязательной строгую компенсацию этой гармоники с помощью постоянного перемещения датчика, что особенно существенно при изменении магнитных параметров образца (фазы ЭДС относительно воздействующего переменного поля) вследствие изменения его температуры при автономной работе комплекса. Фильтр, подавляющий 2-ю гармонику, встроен в установку для того, чтобы в некоторых случаях (которые определяются для каждого конкретного образца экспериментально) лучше выделить характеристики перетяжек в случае их небольшой интенсивности.
При исследовании эффектов НМА обычно измеряются дифференциальные скомпенсированные петлн гистерезиса намагниченности, поскольку исследуемые эффекты проявляются на них наиболее хорошо [35, 36, 39, 46]. В дальнейшем под термином СДПГ будет подразумеваться именно дифференциальные петли. В случае анализа интегральных петель об этом будет говориться особо. На рисунке 3 а представлен пример перетянутой СДПГ образца базальтовой лавы Камчатки, измеренной при компенсации 1-й гармоники, В образце ранее была создана НМА в полях Hi-равных 15 и 20 Э. На рисунке 3 б, в приведены обычные (не скомпенсированные) частные дифференциальные (є) и интегральные (I) петли гистерезиса намагниченности, полученные на тех же образцах [35]. Как это видно из рисунков на обычных ЧПГ перетяжки в районе полей 15 и 20 Э не фиксируются. В то же время на скомпенсированных петлях гистерезиса перетяжки видны очень ярко.
Как уже говорилось, первоначально петли гистерезиса измерялись с помощью осциллографа. Погрешности измерения СДПГ определялись в основном толщиной луча осциллографа и составляли не более 3 - 4 %.
Как уже было сказано на образцах, содержащих ферримагнетики и подвергнутых термомагнитной обработке (например, охлаждению в постоянном магнитном поле Нт от некоторой температуры Т ТС (Тс - температура Кюри образца)) наблюдаются перетянутые и асимметричные скомпенсированные дифференциальные петли гистерезиса. Местоположение перетяжки определяется напряженностью поля Нт. Степень асимметричности также зависит от напряженности постоянного магнитного поля. Степень асимметрии - это отношение площадей, ограниченных петлей гистерезиса справа и слева от оси намагниченности [35, 39].
Комплексная аналитическая модель влияния давления и температуры на эффекты НМА
Здесь мы рассмотрим физико-математическую модель, описывающую влияние давления и температуры на параметры, характеризующие перетяжку на частных петлях гистерезиса ферримагнитных материалов. Эта модель основана на теории зависимости магнитной восприимчивости от постоянного поля для пород, обладающих НМА, предложенной в работе [49]. Поскольку исследования эффектов НМА проводилось в основном на образцах, содержащих многодоменные зерна магнетита и титаномагнетитов, то данная модель относится именно к таким ферримагнетикам. Однако, мы считаем, что предлагаемая теория с равным успехом может быть отнесена и к иным ферримагнитным минералам.
Предлагаемая модель отнюдь не претендует на теорию магнито-диффузионных процессов и теорию создания в породе, содержащей многодоменные минералы, наведенной магнитной анизотропии. Эти теории разрабатывались задолго до проведения данной работы. Даже простое перечисление большинства работ, посвященных диффузионным процессам в магнитных материалах и горных породах, не представляется возможным. Можно только отметить часть из них: [4, 6, 8, 10, 12, 13, 15, 16, 18, 19, 20, 21, 22,26,27,28,29,33,34].
Данная модель позволяет лишь описывать влияние давления и температуры на параметры перетяжек, возникающих на частных петлях гистерезиса магнетитсодержащих пород, при возникновении в них НМА. В дальнейшем (возможно) предлагаемая модель позволит по экспериментальным данным оценивать отдельные параметры, характеризующие НМА в конкретных образцах изверженных пород. Это потребует разработки специальной компьютеризованной установки для исследования магнитных свойств подобных образцов. Помимо всего прочего, исследования показывают, что НМЛ горных пород, содержащих ферримагннтные минералы, способна фиксировать информацию о давлении Рх, действовавшем на породу в момент наведения в ней анизотропии в геомагнитном поле. Поэтому компьютерное моделирование зависимости параметров перетяжек на частных петлях гистерезиса от давления может помочь в решении конкретной задачи — построении метода определения палеодавлений, то есть давлений, которые действовали на горные породы при их нагреве в природных условиях.
Предварительно кратко рассмотрим поведение параметров перетяжки, созданной в изотермических условиях в присутствии давления. Полная физико-математическая теория этого процесса приведена в работах [50,51,52].
Приведенные далее результаты компьютерного моделирования сравнивались с экспериментальными данными, полученными на породах, взятых из палеомагнитных коллекций Камчатки, Курильских островов и Дальнего Востока. В основном это были базальтовые лавы, содержащие согласно минералогическим исследованиям, многодоменные частицы магнетита и титаномагнетитов. Температуры Кюри исследованных образцов лежали в пределах от 300 до 575 С. Часть образцов были ранее проанализированы на электронно-зондовом микроанализаторе «Camebax» сотрудником геофизической обсерватории «Борок» ОИФЗ РАН В. А. Цельмовичем.
Рассмотрим некоторые известные положения диффузионной теории НМЛ, позволяющие оценить влияние внешних факторов на параметры перетяжек частных петель гистерезиса.
НМА, возникающая в породах при их охлаждении в магнитном поле, обусловлена диффузионной стабилизацией доменных границ (ДГ). В результате нагрева-охлаждения пород в постоянном магнитном поле в них происходит диффузионная перегруппировка различных дефектов (примесей, вакансий и т.п.). В результате этой перегруппировки в магнетике породы меняется внутренняя энергия, и доменные границы стабилизируются в соответствии с ее минимумом. Одновременно происходит и другой процесс -движение доменных границ под воздействием магнитного поля через пониженные в результате нагрева энергетические потенциальные барьеры (так называемый «термофлуктуационный» процесс). Здесь уже дефекты увлекаются границами, которые опять стабилизируются в новых положениях в соответствии с новым минимумом энергии. В обоих случаях положение стабилизированных ДГ зависит от напряженности намагничивающего поля. Оба процесса идут одновременно. Преобладание какого-либо из них зависит от состава, структуры образцов пород, температуры нагрева, внутренних и внешних напряжений и т.п. При комнатной температуре, когда диффузионные процессы крайне замедленны, видимо, преобладают термофлуктуационные процессы. При высоких температурах активизируются диффузионные процессы, и их роль в создании НМА становится преобладающей. Эксперименты показали, что НМА, созданная при охлаждении образца породы от высокой температуры, обусловленная диффузионными процессами, много более стабильна как во времени, так и по отношению к размагничиванию переменным магнитным полем (h), чем НМА, созданная при комнатной температуре [3 8].
Во всех этих случаях доменная граница при стабилизации (т.е. при создании НМА) попадает в энергетическую яму. Для того чтобы выбраться из этой ямы граница должна преодолеть так называемый «гигантский» потенциальный барьер, положение которого в общей картине распределения энергии границы зависит от напряженности поля термонамагничивания Нт. Совокупность этих «гигантских» барьеров вызывает перетяжку на частных петлях гистерезиса намагниченности. Схемы распределений градиента энергии вдоль оси движения 180-ти градусной доменной границы магнетиков, обладающих НМА приведены в работах [35, 49, 60]. Как показано в этих работах, подобные перетяжки наблюдаются на петлях гистерезиса при их измерении в переменных магнитных полях, не выходящих за область Релея. Энергия и расположение «гигантских» барьеров на пути движения доменных границ характеризуются некоторой дисперсией (разбросом). Эта дисперсия носит случайный характер, так как набор дефектов, их расположение в каждом конкретном образце породы является случайным. На основе этих положений в работе [49] предложена формула для магнитной восприимчивости образцов, обладающих НМА
Структурная схема измерительного блока устройства для исследования наведенной магнитной анизотропии
Типовая структура устройств, ранее используемых для исследования наведенной магнитной анизотропии и температуры нагрева горных пород, содержащих ферромагнитные минералы (которое использовалось нами ранее для наблюдения эффектов), выглядит так, как было показано на рисунке 2.
Использование такой установки для выполнения подобных задач предполагает наличие специального блока. Этот блок состоит из печки для нагрева образца, соленоида воздействующего переменного или постоянного магнитного поля и датчика вторичной ЭДС. Для наблюдения эффектов в приведенном устройстве использовался осциллограф, с экрана которого дифференциальные петли гистерезиса измерялись и выполнялись бумажные копии. Измерение температуры осуществлялось с помощью термопары, при чем для снятия показаний использовался вольтметр, шкала которого проградуирована в градусах шкалы Цельсия.
Преимуществом такого блока является то, что он представляет собой практически законченную схему для исследования наведенной магнитной анизотропии, исключая блоки необходимые для работы, о которых сказано выше.
Недостатки приведенного устройства очевидны. Во-первых, неудобство снятия показаний (параметров эффекта наведенной магнитной анизотропии) с экрана осциллографа и вольтметра (косвенное измерение температуры), а также неудовлетворительная точность таких измерений. Во-вторых, необходимость бумажной работы для регистрации результатов исследований, что делает обработку результатов измерений очень трудоемкой, а в случае накопления большого объема результатов экспериментов — статистическая обработка становится практически невозможной. В-третьих, устройство не обеспечивает тестирование блока, для определения отклонения номиналов радиоэлементов с течением времени и при изменении внешних условий. Поэтому устройства такого типа позволяют наблюдать эффекты, но точный и качественный анализ на подобных установках крайне неточен, трудоемок, если не невозможен. В следствии выше сказанного становится очевидной необходимость разработки устройства, устраняющего эти недостатки. Часть данной работы посвящена измерительному блоку такой установки.
Обобщая выше сказанное, можно сформулировать дополнительные требования к устройству для комплексного исследования НМЛ. А именно устройство кроме основных задач измерения, оно должно не только измерять полезный сигнал с датчика и температуру его нагрева, но также обеспечить контроль параметров задающего воздействия соленоида (величины постоянного, амплитуду и частоту переменного задающих магнитных полей). Кроме этого устройство должно контролировать свои характеристики (отклонение рабочих условий и характеристик элементов от их номинальных значений), и Б случаях, когда это возможно, обеспечить корректную работу устройства путем программного учета отклонений в качестве контролируемой систематической погрешности. В случаях неисправимых расхождений (отказов) устройство по мере возможности должно сообщить оператору о неисправности и как можно точнее указать причину ее появления (неисправный блок устройства).
При таких требованиях к установке, она станет незаменимой для научных измерений такого или подобного видов, т.к. для исследований с ее помощью не будет необходимостью знание принципа работы всего устройства. Важна только суть эксперимента. Обслуживание прибора специалистами-радиоэлектронщиками будет необходимым только в крайних случаях отказа всего устройства в целом.
В течении последних десятилетий цифровая обработка информации находит все более широкое применение в различных областях науки и техники. Одно из первых мест по широте и эффективности внедрения и использования методов цифровой обработки информации принадлежит измерительной технике. Связано это в первую очередь с тем, что быстродействующие цифровые устройства, созданные на базе интегральных схем большой и средней степени интеграции, входящих в современные микропроцессорные комплекты, обладают рядом существенных достоинств. Они универсальны, то есть могут реализовывать множество различных функций, позволяют достичь исключительно высокой точности измерений, значительно превосходят своих предшественников по быстродействию, экономичности и другим показателям.
Из наиболее характерных направлений измерительной техники в нашем случае пользуется анализ сигналов. Анализ сигналов в современном понимании этого термина означает преобразование сигналов в цифровой вид с последующей обработкой их посредством различных математических операций. Анализаторы сигналов используются в электронной промышленности, геофизике, электротехнике, при исследовании медицинских, биологических процессов, химических реакций.
Измерительная система для анализа сигналов комплектуется дисплеем и графопостроителем для визуального и графического отображения информации.
Процессор анализатора сигналов должен обладать высокой производительностью, большим объемом памяти для хранения сигналов и программ, языком достаточно высокого уровня для составления программ в диалоговом режиме.
Анализаторы сигналов выполняют такие операции, как интегрирование, дифференцирование, умножение, деление сигналов, а также более сложные: разложение по системам базисных функций, цифровую фильтрацию, интерполяции, экстраполяцию, статистическую обработку. Во многих случаях анализаторы сигналов должны определять параметры моделей сигналов, осуществлять их классификацию и кодирование. Перечисленные операции далеко не исчерпывают возможностей анализаторов сигналов, поэтому задачи обработки в них информации охватывают весьма широкий круг других практических задач.
Предварительные усилители для согласования с программируемым преобразователем уровня
Выбор термопары. Термоэлектрические термометры (термопары), применяемые для измерения температуры контактным методом, отличаются рядом достоинств, а именно: высоким верхним пределом измерения; большой стабильностью при высоких температурах по сравнению с термометрами сопротивления; простой технологией изготовления термоэлектродного материала; невысокой стоимостью. Принцип действия термоэлектрических термометров основан на эффекте Зеебека [83].
Стандартные термоэлектрические термометры используются для измерения температуры в производственных условиях в диапазоне от минус 200 до 2500 С. Для расширения пределов измерений и повышения точности выпускаются и другие типы термопар с термоэлектродами из термоэлектрических материалов, не предусмотренных стандартами [96].
по
Наиболее широкое распространение получили стандартные термопары с термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов и сплавов: медь-константановые, хромель-коп елевые, железо-константановые, хромель-алюмелевые, платинородий-платиновые, нихром-никелевые, вольфрамрений-вольфрамрениевые.
Термопара «хромель-алюмель» (ХА) самая распространенная в промышленности и научных исследованиях термопара. Применяется для измерения температуры до 1100 С (длительно) и 1300 С (кратковременно) в окислительных и инертных средах, предназначена также для измерения низких температур. Ее можно использовать для измерений в сухом водороде и кратковременно в вакууме. Имеет практически линейную термоэлектрическую характеристику и чувствительность порядка 40 мкВ/С. Наиболее устойчивая термопара в условиях реакторного облучения.
Недостатки термопары: высокая чувствительность к деформации и обратимая нестабильность термо-ЭДС, затрудняющая производство точных измерений. Градуировочная характеристика термопары стандартизована. Термопарой пользуются для измерения температуры в промышленных печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании и т.д., а также в многообразной научной аппаратуре и лабораторных приборах [83, 84].
Зависимость термо-ЭДС — Е, мкВ, от температуры t, С, в интервале от 0 до 1370 С может быть аппроксимирована полиномом
Для расчета предварительного усилителя термопары необходимо определить максимальное и минимальное значение термо ЭДС.
Согласно нормированным таблицам при t = 600 С Е = 24.902 мВ [84]. Зависимость термо-ЭДС - Е, мкВ, от температуры t, С, в диапазоне от 0 до минус 270 С может быть выражена полиномом вида
где а0 = 0,
а, = 39.475433139,
а2 = 2.7465251138- Ю-2,
а3=- 1.6565406716- юЛ
а4 = -L5190912392 Ю-6,
а3=- 2.4581670924- 10"8,
а« = - 2.4757917816- 10"10,
а7 = - 1.5585276173- 10 12,
а8 = - 5.9729921255- Ю-15,
а, = - 1.2688801216- Ю-17,
аю=-1.1382797374- 10"20.
Согласно справочным данным при t = - 50 С, Е = - 1.86 мВ.
Как выше показано (подраздел 4.1) входной диапазон программируемого преобразователя уровня от минус 14 до плюс 14 В. Тогда определим коэффициент усиления, который должен обеспечивать предварительный усилитель К = г-562.
В связи с тем, что для усилителя необходимы достаточно большое входное сопротивление и коэффициент усиления, то схема обычного дифференциального усилителя в данном случае не подходит, а такой усилитель (рисунок 32) (при Ri = R2) R3 = R4) имеет К = R4/R1, входное сопротивление равно Ri (увеличение одного приводит к уменьшению другого, величина R4 ограничена входным сопротивлением ОУ). Будем использовать схему показанную на рисунке 33.
Для такой схемы ДУ при R4 = R5, R6 = R7-R6 (Ю R1 Л ,тт ут х
А входные сопротивления по обоим входам равно входному сопротивлению ОУ. Примем Ri = R2 = R3 — R4 = R5 = Ю кОм, тогда R6=R7;=1.87 МОм. Для реализации схемы используем ОУ К1401УД4.
Предварительный усилитель сигнала датчика. Как было показано выше, сигнал с датчика для согласования с программируемым преобразователем уровня необходимо предварительно усилить в 14 раз. В связи с тем, что к усилителю предъявляются те же требования, что и к предварительному усилителю термопары, то будем использовать ту же схему включения дифференциального усилителя (рисунок 33).
Выберем номиналы элементов усилителя
Ri = R2 = R3 = R4 = R5 = 10 кОм, тогда R = R7 = 46.4 кОм.
Для реализации используем ОУ К1401УД4.
Преобразователь сигнала соленоида. Как было выше показано для самотестирования и автонастройки (калибровки) блок должен обеспечить оцифровку сигнала соленоида, то есть контроль тока (от источника тока) величиной до 4 А. В связи с тем, что ток достаточно большой, то в качестве датчика тока будем использовать сопротивление. Для того, чтобы исключить влияние датчика на величину тока, а также минимизировать мощность рассеиваемую на нем, величина сопротивления должна быть минимальной. Таким образом, в качестве датчика выберем резистор сопротивлением 0.1 Ом. Полученное таким образом выходное напряжение датчика определится, в соответствии с законом Ома
