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" Dispositif perfectionné pour la détection et la mesure de ohamps magnétiques ".
La présente invention concerne des moyens perfectionnés pour la détection et la mesure de champs magnétiques et elle a pour but de produire un instrument relativement simple, de construction robuste, capable de donner des indications précises.
Un autre but de l'invention est de fournir des moyens par lesquels des éléments semblables en matière ferro-magnétique, par exemple des alliages fer-nickel à perméabilité élevée, peuvent âtre équilibrés dans leurs effets par réglage de l'instrument, ce qui évite un gaspillage de matière coûteuse.
Lorsque deux bobines sont disposées l'une à l'intérieur de l'autre avec leurs axes perpendiculaires l'un à l'autre, il est connu que du oourant alternatif peut être envoyé à travers une des bobines sans induire un oourant dans l'autre bobine et que l'introduction d'une feuille de matière ferro-magnétique telle qu'un alliage fer-nickel dans la bobine située à l'intérieur ne provoque aucun transfert d'énergie si cette feuille est symétriquement disposée par rapport aux axes des bobines, par exemple lorsqu'on emploie une feuille rectangulaire, mais avant la présente invention' il n'était pas connu que si ces deux bobines et la feuille combinée sont disposées dans un champ magnétique stable et qu'une des bobines est alimentée au moyen d'un courant alternatif,
un courant sera induit dans 1' autre bobine à un potentiel/qui est une fonction de l'intensité de la composante magnétique parallèlement à l'axe de cette . autre bobine.
La présente invention envisage une unité sensible au point de vue magnétique capable d'indiquer le sens et/ou l'intensité dtune composante de champ magnétique dans une direotion particulière.
L'invention envisage également un ensemble capable d'indiquer la direction et le sens et/ou l'intensité d'un ohamp' magnétique sous la forme d'une quantité vectorielle dans un plan donné, ce qui fournit un remplacement précieux des boussoles de navigateurs..
L'invention envisage'en outre un ensemble capable d'indiquer la spécification complète d'un ohamp magnétique arbitraire autour de trois axes perpendiculaires l'un à l'autre.
L'invention consiste en un moyen de détection et de mesure d'un champ magnétique comprenant' une première bobine, ,
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un moyen de fournir du courant alternatif à cette première bobine, une seconde bobine renfermée dans la première et enroulée autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de cette première, une mince feuille de matière ferro-magnétique de perméabilité élevée, disposée réciproquement dans les deux bobines, et un moyen sensible à la phase pour mesurer le courant induit dans la seconde bobine par une composante de champ magnétique parallèle à l'axe de la seconde bobine.
L'invention peut être mise en pratique suivant diverses constructions qui peuvent être disposées de différentes manières pour obtenir un résultat particulier recherché, et en conséquence la description qui suit doit être considérée comme un exemple seulement.
Dans les dessins accompagnant la présente description :
La figure 1 montre schématiquement la disposition fondamentale qui est à la base de l'invention.
La figure 2 est une vue en perspective d'une construction avec des parties enlevées par une brisure pour montrer les dispositions intérieures.
La figure 3 est un schéma d'une unité construite sur une feuille plate comme aux figures 1 et 2 pour indiquer le sens et l'intensité d'un champ magnétique.
La figure 4 est un schéma d'une unité fonctionnant d'une manière analogue à celle représentée à la figure 3 et construite sur un tube à paroi mince.
La figure 5 est un schéma d'une unité construite sur une paire de tubes à paroi mince.
La figure 6 est un schéma d'une disposition modifiée procurant une plus grande précision de proportionnalité.
La figure 7 est un schéma d'une disposition modifiée pour indiquer la spécification complète d'un champ magnétique au moyen d'un oscillographe à rayon cathodique.
La figure 8 est un schéma montrant une disposition utilisant un instrument indicateur éloigné auto-synchronisé avec un rotor polarisé.
La figure 9 est un schéma montrant une disposition utilisant un instrument récepteur-répétiteur avec un rotor excité par du courant provenant d'un système à référence de phase.
Dans la disposition schématique représentée à la figure 1, a est une bobine magnétisante enroulée autour d'un axe parallèle à l'axe OY du système de coordonnées, b est une bobine de collecte enroulée autour d'un axe parallèllèle a l'axe OX de ce système de coordonnées et disposée à l'intérieur de la bobine a, c est une mince feuille plate d'alliage ferromagnétique fer- nickel et d est une source de courant alternatif reliée à la bobine a.
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Lorsqu'une semblable disposition est placée dans un champ magnétique stable dans la direction OX, c'est-à-dire parallèle à l'axe de la bobine de collecte b et si l'on suppose que la saturation de l'alliage fer-nickel de la feuille c ( approximativement sept milles lignes par centimètre carré ) par le champ produit par la bobine magnétisante a alimentée en courant alternatif est capable de réduire la perméabilité de l'alliage fer-nickel dans la direction OX à l'unité ou à une valeur plus proche de l'unité que de la perméabilité à la saturation ou près de la saturation, on peut démontrer que la sortie de la bobine b aura un potentiel en volts r.m.s. de ; V.4.44 x f x N x A x Bmax x 10- 8
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formule dans laquelle :
f est la fréquence du débit.
A est la surface de la bobine b en centimètres carrés.
B est le nombre de lignes par centimètre carré et
N est le nombre de spires.
Au contraire lorsque le champ magnétique stable est dans la direction OY, c'est-à-dire parallèle à l'axe de la bobine magnétisante a, le débit de la bobine b sera nul.
Si le système n'est pas polarisé, la fréquence ,du débit de la bobine de collecte b sera double de la fréquence du cou- rant s'écoulant dans la bobine magnétisante a et si le système est convenablement polarisé, le potentiel dû courant venant de la bobine de collecte b sera divisé en deux et la fréquence de ce courant sera la même que la fréquence du courant circulant dans la bobine magnétisante a.
Au point de vue de la Sélection du sens et de l'intensité de champs magnétiques, la caractéristique importante du débit à noter est qu'en l'absence d'une composante de champ magnétique parallèle à OX, le débit de la bobine de collecte b est nul, que lorsque le champ augmente en grandeur dans un sens, la va- leur du potentiel du courant alternatif induit augmente propor- tionnellement ou à très peu près proportionnellement à l'aug- mentation de champ 46 que ce voltage se renverse en phase lors- que le sens du champ est 'renversé.
Dans une construction simple représentée à la figure 2, une unité sensible magnétiquement peut consister en une feuille plate c comparativement mince, par exemple d'un pouce en carré et de vingt cinq dix millièmes de pouce' d'épaisseur, en matière ferro-magnétique par exemple en un alliage fer-nickel à perméa- bilité élevée, feuille c qui est disposée dans l'espace d'air relativement petit de la bobine de collecte plate b consistant en une seule couche de fil isolé qui en service est reliée aux moyens de mesure de débit, soit directement, soit par ltinter- médiaire d'amplificateurs et/ou d'autres instruments;
comme on l'a représenté à la figure 3, la bobine de collecte b avec sa feuille o et une planche à bornes e sont disposées dans l'es- paoe d'air à adaptation précise, de la bobine magnétisante pla- te a consistant en plusieurs oouohes de fil isolé, qui est re- liée en service à une source de courant alternatif.
Comme on l'a déjà expliqué,.si ces pièces sont disposées de façon que les axes de la bobine de collecte b et de la bo- bine magnétisante a combinées. sont perpendiculaires l'une à l'autre et que lesdeux axes sont dans le plan de la feuille c, en l'absence de toute composante de champ magnétique parallèle à l'axe de la bobine de collecte b. le débit sera nul si la ma- tière ferro-magnétique est homogène mais s'il y a une oomposan- te.de champ magnétique parallèle à l'axe de la bobine de col- lecte b, il y aura un débit de potentiel alternatif dont le voltage augmentera lorsque cette composante du champ augmente d'intensité dans un sens, et se renversera quant à la phase lorsque le sens du ohamp est renversé.
En pratique on peut trouver par suite de l'absence d'homo- généité dans les alliages fer-niokel à perméabilité élevée, un voltage en travers de la bobine de collecte b en l'absence dtune composante magnétique, ce débit peut être réduit à zéro par un déplacement angulaire des axes des bobines associées a et b dans le plan de celles-ci l'un par rapport à l'autre, .ou par un déplacement angulaire de la feuille c dans son plan par rapport a la bobine de collecte b, ce qui permet aux éléments sen- sibles dans des agencements.. tels que par exemple des systèmes
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d'inducteur de champ d'être équilibrés dans le champ nul, ce qui évite le gaspillage de matière coûteuse.
Suivant la figure 4, l'unité sensible magnétiquement con- siste en un tube g à paroi h comparativement mince, en matière ferromagnétique, par exemple un alliage fer-nickel à perméabi- lité élevée en une bobine magnétisante a en fil isolé, enroulée en toroide autour de la paroi mince h et en une bobine de col- lecte b en fil isolé, enroulée en forme de solénoïde transver- salement aux spires de la bobine magnétisante toroïdale a.
Un semblable agencement fonctionne de la manière déjà dé- crite, c'est-à-dire que lorsque la bobine magnétisante a est excitée par la source de courant alternatif d et qu'il y a une composante de champ magnétique parallèle à l'axe de la bobine de collecte b ( et du tube ), il y aura un débit de potentiel alternatifet le voltage de ce débit augmentera lorsque le champ augmente en grandeur dans un sens, et se renversera de phase lorsque le sens du champ est renversé.
Dans le cas de la figure 5, l'unité sensible magnétiquement consiste en deux tubes parallèles k et 1 en matière ferro- magnétique, dont chacun a une paroi comparativement mince en alliage fer-niokel par exemple à perméabilité élevée, en une bo- bine magnétisante a enroulée transversalement à la cavité des deux tubes k et k1, et en une bobine de collecte en deux moitiés reliées en série, une moitié b2 étant enroulée à l'extérieur d' un tube tandis que l'autre b3 est enroulée à l'extérieur de 1' autre tube k1.
Lorsque la bobine magnétisante a de cet agencement est excitée par une source de courant alternatif et qu'il y a une composante de champ magnétique parallèle aux axes des bobines de collecte b2 et b3 ( et des tubes k et kl ) comme préoédem- ment le voltage de débit augmentera lorsque le champ augmente de grandeur dans un sens et se renversera de phase lorsque le sens du champ est renversé.
Dans toutes les formes différentes représentées, si le courant alternatif excitant la bobine magnétisante a est main- tenu constante une augmentation de potentiel dans le voltage de débit de la bobine de collecte b ou des bobines b8 , b3 est plus ou moins proportionnelle à l'augmentation de l'intensité du champ magnétique ( c'est-à-dire de la composante de champ magnétique parallèle à l'axe de la bobine de collecte ) et lors- que cette relation est suffisamment préoise, la caractéristique de débit peut être employé de l'une ou l'autre des nombreuses manières bien connues dans cette technique.
En particulier la caractéristique de débit peut être ap- pliquée à un dispositif amplificateur qui est sensible quant à la phase et possède un débit de courant continu qui est propor- tionnel en grandeur au potentiel alternatif introduit, la di- rection de ce débit dépendant de la phase de l'entrée, de sorte que dans ce cas la direction du débit d'un semblable dispositif amplificateur dépend du sens de la composante de champ magné- tique parallèle à l'axe de la bobine de collecte, ce qui permet d'indiquer par un galvanomètre m à centre zéro à la fois le centre et l'intensité de champ magnétique de direction parti- culière .
Comme le montre la figure 3, le potentiel de la bobine de collecte b est applicable à l'amplificateur 11 et son débit est envoyé au redresseur 12 sensible quant à la--phase.
Pour des raisons déjà expliquées, la fréquence de ce dé- bit sera double de la fréquence du courant fourni par la source de courant alternatif à la bobine magnétisante a et pour
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procurer un système convenable à référence de phase une dérivation de la source d est envoyée dans un circuit 13 doublant la fréquence, vers le redresseur 12 sensible quanta la phase, dont le débit est mesuré par le galvanomètre m à centre zéro.
On peut employer n'importe quel circuit doublant la fré- quenoe, qui procure le même décalage de phase que celui intro- duit dans le système faisant l'objet de l'invention, c'est-à- dire environ nonante degrés. Suivant une variante, un circuit doublant la fréquence peut être employé conjointement avec un réseau de décalage de phase approprié, par exemple un système tel que décrit oi-dessus pourvu d'un champ polarisant et abrité des champs magnétiques de dispersion.
Lorsqu'une plus grande précision est requise, on peut em- ployer la disposition représentée à la figure 6 dans laquelle le potentiel induit dans la bobine de collecte b est envoyé à un dispositif amplificateur 112 du genre représenté à la figure 3 et le courant continu de débit de 112 est envoyé par l'inter- médiaire du galvanomètre m vers une bobine à réaction o coaxia- le à la bobine de collecte b pour produire un champ magnétique en opposition à la composante du champ magnétique mesuré, n'im- porte quel degré de linéarité entre le changement de courant de débit de l'amplificateur 1 par rapport au changement d'inten- sité de la composante magnétique parallèle à l'axe des bobines b et o étant obtenu en suivant les considérations de construc- tion connues..
Pour constituer un agencement qui fonotionne pour détermi- ner la spécification ou la mesure complète d'un ohamp magnétique et montrer la direction, le sens et/ou l'intensité de ce champ, deux unités sensibles magnétiquement peuvent être disposées per- pendiculairement l'une à l'autre dans le même plan pour.produi- re deux courants continus.
La valeur de ces courants est toujours proportionnelle au cosinus de l'angle entre l'axe d'une bobine de collecte et la direction du ohamp mesuré, de sorte que lorsque les axes de deux bobines de oolleote sont perpendiculaires ltun à l'autre, le courant dans une bobine de collecte est proportionnel au cosinus de cet angle et le courant dans l'autre bobine de col- - leote est proportionnel au cosinus de l'angle complémentaire, c'est-à-dire au sinus de l'angle mentionné en premier lieu, ce qui prooure des oourants de sinus et de cosinus qui sont dispo- nibles pour l'emploi avec des indioateurs connus.
En disposant trois unités de ce genre sensibles magnéti- quement sur des axes perpendiculaires entre eux, on peut mesu- rer l'intensité et/ou la direction de n'importe quel champ arbi- traire.
Comme le montre la figure 7, deux unités sensibles magnétiquement a, b, o et al, b1, o1 du genre utilisé à la figure 3, sont disposées aveo les axes des bobines de collecte b et bl perpendiculaires l'un à l'autre dans le même plan et les bobines magnétisantes a et al des deux unités sont montées en série avec la source de courant alternatif d, les débits des bobines de collecte b et b1 étant respectivement envoyés à des amplifi- cateurs individuels' 112, 112 qui sont sensibles quant à la phase et ont des débits de courant continu qui, en grandeur, sont proportionnels aux entrées et, en direction, dépendent de la phase de l'entrée.
Les courants desinus et de cosinus respectivement des amplificateurs 112, 112 sont transformés en potentiels par leur envoi dans des résistances individuels de valeur appropriée,
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le potentiel de l'amplificateur 112 alimenté avec le débit de la bobine de collecte b étant appliqué aux plaques n, n de 1' oscillographe g à rayon cathodique tandis que le potentiel de l'amplificateur 112 alimenté par le débit de la bobine de col- lecte bl est appliqué aux plaques µ, ± de l'oscillographe q.
Avec cette disposition, la déviation du " pip " à partir de la position centrale montre la direction de la composante du champ magnétique qui est détectée, tandis que la hauteur ou la grandeur du " pip " indique l'intensité de champ.
Suivant une variante, les courants de sinus et de cosinus pour indiquer la direction mais non l'intensité, peuvent être envoyés à un instrument indicateur éloigné auto-synchronisé, à rotor polarisé, tel que représenté à la figure 8, dans lequel les unités sensibles magnétiquement a, b, c, o et a1, b , cl, o1 sont du genre employé à la figure-6 et Un doubleur de fré- quenoe 13 est incorporé pour fournir un système de références de phase.
L'instrument indicateur représenté comprend un rotor po- larisé r, une bobine nl en série avec la bobine de réaction o et une bobine p en série avec la bobine de réaction o1, les bobines n1 et p1 étant à angle droit.
Pour éviter l'emploi de circuits et de principes de ren- voi en arrière de courant continu, un genre différent d'instru- ment indicateur peut être employé, et la figure 9 montre une disposition utilisant un récepteur d'un système répétiteur dans lequel le débit de courant alternatif de l'amplificateur 11 ex- cité par la bobine de collecte b est envoyé à la bobine t,le débit de courant alternatif de l'amplificateur 11 excité par la bobine de collecte bl est envoyé à la bobine u et le débit du doubleur de fréquence 13 en circuit avec la source de courant d, est envoyé à la bobine s du rotor dont le déplacement angu- raire indique la direction du champ magnétique de la terre ou d'un autre ohamp magnétique.
La disposition mentionnée en dernier lieu peut introduire une certaine erreur due au caractère non-linéaire de matériaux magnétiques, mais l'erreur peut habituellement être rendue né- gligeable par l'emploi d'une matière magnétique sous une forme physique telle,que le facteur démagnétisant est très grand.
REVENDICATIONS.
1.) Dispositif pour la détection et la mesure de champs magnétiques comprenant une première bobine, des moyens de four- nir du courant alternatifà cette première bobine, une seconde bobine renfermée dans la première et enroulée autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de la première, une mince feuille de matière ferro-magnétique à perméabilité élevée/disposée dans les deux bobines et des moyens sensibles à la phase pour mesu- rer le courant induit dans la seconde bobine par une composante de champ magnétique parallèle à l'axe de la seconde bobine.