Magnetometr – Střídavý magnetometr

Nebudu popisovat magnetometr VÚZORT nejsem jeho autor, nemluvě o tom, že byl přesně popsán v závěrečné zprávě, ta ovšem byla při likvidaci ústavu vyhozena. Chtěl bych jen zachytit jednu příhodu, která snad osvětlí způsob práce a spolupráci při řešení problémů s úkoly.

Střídavý magnetometr měřil malé vzorky oxidů železa nebo chromu, ještě dříve, než se z nich pracně vytvořil magnetický lak, ten se nalil na nosič a pak se teprve změřilo, že tento vzorek oxidu je nepoužitelný. Magnetometr tak ušetřil nepředstavitelné množství času a umožnil rychlejší vývoj nových oxidů.
Střídavý se jmenoval proto, že vzorek byl vystaven střídavému magnetickému poli z mohutné cívky napájené ze sítě. Aby jste si ji mohli představit, původní cívka měla v průměru asi 15cm a dlouhá byla asi 25cm. Cívka měla hmotnost přibližně 25kg. To všechno si ještě lze představit, ale aby bylo možné cívkou s tolika závity protlačit potřebný proud, musila být indukčnost cívky kompenzována kapacitou, jinak řečeno cívka musila být v sériové rezonanci s mohutnými kondenzátory.



Záměrně nepíši o měřicí části magnetometru, to bylo dílo Ing. Vobořila, Ing. Chvoje a Ing. Žatečky. Bylo to dílo neobyčejně složité, přesné a pro mne něco jako černá skřínka. Já jsem se spíš věnoval té budicí cívce a jejímu napájení, to bylo spíš pro silnoproudaře.

Cívku se podařilo dostat do sériové rezonance, proud byl vyhovující a magnetické pole pro tehdejší typy oxidů mělo bohatou rezervu. Jenže při té rezonanci se na cívce i kondenzátorech vyskytovalo napětí až 4000V! To je již napětí opravdu nebezpečné, zvláště když proud dosahoval několika ampérů. Bylo nutno vše velice pečlivě isolovat, aby obsluha nemohla přijít za žádných okolností do styku s tak vysokým napětím. To bylo zvláště nepříjemné, protože bylo nutno vzorky zasouvat do měřicích cívek uprostřed budicí cívky s tak vysokým napětím. Ve světě pracovalo několik takových přístrojů různých výrobců a všechny měly tytéž potíže. Silná izolace znemožňovala dobré chlazení, takže po hodině měření bylo nutno magnetometr vypnout a alespoň dvě hodiny nechat chladnout.
A teď jsme dostali úkol vyvinout magnetometr s trojnásobným polem! Všichni jsme pečlivě tajili před EZÚ ( elektrotechnický zkušební ústav – přísně tehdy dohlížel, aby všechny přístroje splňovaly normou předepsané parametry, dnes panuje naprostá anarchie ), že přístroj spadá tedy do kategorie VN ( vysoké napětí ) a to by byly tak přísné podmínky, pro měření naprosto nemožné. A teď trojnásobné pole! Výpočtem vyšlo Mirkovi ( Chvojovi ) napětí na cívce i kondenzátorech kolem 10000V ! No to bylo při vší tolerantnosti trochu moc! Co s tím?

V té době, jednou při svačince, mne něco napadlo. Trochu žertem jsem se zeptal s plnou pusou Mirka „ Proč tam používáme sériovou rezonanci?“ Mirkovi málem upadl rohlík, podíval se na mne vyděšeně, jak se mohu ptát na tak notoricky známou věc a začal mi zděšeně vysvětlovat proč, což mne rozesmálo, protože mi Mirek naletěl. Zarazil jsem ho a řekl jsem mu, že je mi to jasné, jen mi není jasné, proč se nepoužije rezonance paralelní? Mirek na mne chvíli koukal, zapomněl žvýkat a pak řekl „ To by tam musely téct hrozný proudy a kde je vezmeš?“ Řekl jsem mu „ No přeci z těch kondenzátorů!“ Mirek odložil rohlík vzal tužku a papír, chvilku cosi počítal a pak řekl „ No to musí jít, ale proč to nikdo nedělá a všichni používají sériovou rezonanci?“ Přepočítal to ještě jednou a řekl „ Dem za panem šéfem, to není možný!“

Pan šéf-Jirka Struska, chvíli přemýšlel a pak řekl „ Páni, okamžitě zkusit, to by bylo něco!“ Jenže jak to zkusit, kde honem vzít tak tlustý vodič a kondenzátory řádově tisíce mikrofaradů na střídavé napětí, zatím alespoň do sta voltů? Napadlo mne použít Alobal, který by byl jako vodič použitelný a elektrolytické kondenzátory, zapojené bipolárně- tj. dva proti sobě. Alobal jsme zakoupili v samoobsluze, kam jsme chodili kupovat svačiny. V administraci jsme zachvátili škatuli průklepového papíru ( kdo to nezná, je to velice tenký papír, podobný hedvábnému papíru ) a prokládali jsme závity Alobalu tímto papírem, jako isolaci. Ze dvou Alobalů a krabice průklepového papíru ( spotřebovali jsme celý měsíční příděl papíru ) jsme získali jakousi slušnou cívku. Mirek změřil indukčnost této cívky a vypočítal potřebnou kapacitu. Vyšla hrozná hodnota, přes deset tisíc mikrofaradů. Ze všech šuplíků jsme vytahali různé kondenzátory a protože to nestačilo, šli jsme do skladu „ vypučit“ všechny kondenzátory co ve skladu byly. Na jednom stole vznikla ohromná hromada kondenzátorů umně pospojovaných a připojených k cívce z Alobalu. Pak při malém napětí jsme ladili kapacitu připojováním a odpojováním kondenzátorů tak dlouho, až se nám podařilo vše naladit.

Potom jsme opatrně zvyšovali napětí a skutečně, mezi cívkou a kondenzátory začal protékat ohromný proud, ačkoli ze sítě byl odběr minimální. Nic převratného, to se učí ve druhém ročníku průmyslovky. Jenže tohle bylo něco, co ještě v tomto případě nikdo nepoužil a mohlo to významně zjednodušit náš problém. V zápalu nadšení jsme zapomněli na ostražitost a stříleli jsme železnými tyčemi, které si cívka vtahovala. Vypnul-li se proud do cívky ve vhodný okamžik, proletěla tyč hezky daleko. Když tyč konečně proletěla zavřenými dveřmi, usoudili jsme, že to stačí a zahájili měření. To už toho ale elektrolytické kondenzátory měly dost a začaly jeden po druhém vybuchovat. Než jsme to stačili vypnout, padlo za oběť „základnímu výzkumu“, kondenzátorů hodně. Chodili jsme pak po ústavu a škemrali, kdo by nám pomohl odepsat nějaký kondenzátor na nějaký úkol. Dopadlo to dobře, všechno se zahladilo a ve skladu nic nechybělo.



Obr. 1. Magnetizační cívka ze strany přívodů - magnetometr.
Obr. 1. Magnetizační cívka ze strany přívodů – magnetometr.

Ověřili jsme si, že je to skutečně tak, jak praví učebnice a teď nastal Mirkovi čas výpočtů opravdové cívky. Protože vycházely strašné ( pro nás ) hodnoty, zajel Mirek do Škodovky kdesi v Plzni, kde nám byli ochotni profesionálně cívku navinout. Při tom mu poradili, že by bylo lepší cívku realizovat z terčových cívek. Mirek to uvítal, protože různým počtem závitů jednotlivých cívek bylo možno docílit téměř ideální linearity pole uvnitř cívky. Když cívku přivezli nákladním vozem, vykládali ji pomocí jeřábu. Dopravit cívku do laboratoře byl nadlidský výkon. Její hmotnost byla asi sto padesát kilogramů. Každá terčová cívka byla navinuta dvěma pasy 28×3mm paralelně. To znamenalo, že by mohla cívka snést proud 650A. Představa, že v cívce bude 220V a proud 650A u nás v laboratoři, byla trochu na pokraji neskutečna.

Na obrázku cívky je dobře vidět propojovací kabely mezi cívkou a baterií kondenzátorů, kterými protékalo až 650A a k nim paralelně dva tenké kablíky, kterými se přivádělo napájecí napětí 220V. Ze sítě zařízení odebíralo maximálně 10A, při tom cívkou a kondenzátory protékalo asi 650A.

 

Obr. 2. Magnetizační cívka s ventilátorem zezadu - magnetometr.
Obr. 2. Magnetizační cívka s ventilátorem zezadu – magnetometr.

Nesmím zapomenout na baterii kondenzátorů, která měla kapacitu asi 5000µF, pro napětí 250V 50Hz. Baterie byla tvořena ze svitkových kondenzátorů 25µF, které se používaly pro kompenzaci účiníku u pouličních výbojek. Kondenzátorů bylo zapotřebí asi 250 ( s rezervou ) a byly umístěny ve velké skříni. Byly propojeny napřed dráty o průměru 3mm, pak pasy 2×15mm a vývody ke svorníkům pro propojovací kabely měly průřez 50×5mm. To nebyla elektrikařina, ale klempířina a proto nám vydatně pomáhali kolegové z dílny. Celá skříň měla svůj ventilátor, ale jen malý, axiální. Ztrátový výkon kondenzátorů byl do sta Wattů.
Všechny cizí magnetometry a mnoho jich nebylo, měly vodní chlazení, to znamenalo připojení na vodovod a odpad a neustálé potíže s hadičkami. Tvrdil jsem že ztráta nějaké dva kilowatty se musí dát bez větších potíží odvětrat vzduchem. Využil jsem technologické mezery mezi terčovými cívkami a mohutným radiálním ventilátorem ( je vidět na druhém obrázku ) jsem proháněl vzduch mezerami mezi cívkami. Jedině radiální ventilátor byl schopen protlačit mezerami mezi terčovými cívkami dostatek vzduchu a navíc jeho chod neprovázel ječivý zvuk, jako u axiálních ventilátorů. Ventilátor měl ještě druhé lopatky, které proháněly vzduch středem magnetizační cívky, kolem měřicích cívek. Měřicí cívky byly totiž značně choulostivé na změnu teploty a přestávaly se kompenzovat. V takovém případě bylo nutno neustále kontrolovat kompenzaci a zdržovalo to měření. Díky značnému proudění vzduchu kolem měřicích cívek, cívky přestaly měnit svůj odpor a kompenzaci nebylo nutno vůbec hlídat. Po třech hodinách chodu s plným příkonem se teplota měřicích cívek zvýšila jen o jeden stupeň, což bylo zanedbatelné.

Mirek se snažil celý nový systém patentovat, ale z patentového úřadu přišla odpověď, že to není nic nového, že paralelní rezonance je známa nejméně sto let a nebylo možné úředníkům vysvětlit, že nechceme patentovat paralelní rezonanci, ale použití k speciálním měřicím účelům.

Byl to vlastně jediný magnetometr na světě, který nepracoval s vysokým napětím, nepotřeboval vodní chlazení a snesl trvalý chod s maximálním polem 0,3T. V té době to uměl jen střídavý magnetometr VÚZORT.

Fotografie magnetometru:




Magnetometr [042]