Магнитометры на первой и второй гармонике. Феррозондовый магнитометр

Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот.

На рис. схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.

В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек:

катушки возбуждения, питаемой переменным током

и измерительной (сигнальной) катушки.

Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.

На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).

В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу.

Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону.

Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и стано- вится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке.

В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Феррозонды подразделяются на:

стержневые одноэлементные (рис. а)

Дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.б)

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.в).

Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.

Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю.

Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10 -4 -10 -5 А/м (~10 -10 -10 -11 Тл).

Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью.

Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см 3 , а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм.

В качестве примера на рис. приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.

Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений.

Его сердечник изготовлен из пермаллоя.

Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую намотаны измерительная обмотка и обмотка возбуждения.

Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1, 5x10 5) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования сигнала «время-импульс».

Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50... ±100 А/м (±0, 06... ±0, 126 мТл).

Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м x Гц 1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 - 3,5 раза выше.

Электромагнитные явления в трансформаторе со стальным сердечником подобны явлениям в воздушном трансформаторе, но магнитный поток, который пронизывает обе обмотки, замыкается не по воздуху, а через стальной сердечник (рис.15.31).

При нагрузке трансформатора существуют три магнитных потока: Ф – основной в сердечнике, Ф σ 1 – рассеяния, связанный только с первичной обмоткой, Ф σ 2 – рассеяния, связанный только со вторичной обмоткой.

Основной магнитный поток наводит в первичной и вторичной обмотках э.д.с. соответственно е 1 и е 2 . Магнитные потоки рассеяние Ф σ 1 и Ф σ 2 наводят в первичной и вторичной обмотках э.д.с. соответственно е σ 1 и е σ 1 .

Напряжение u 1 , приложенное к первичной обмотке, уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении обмотки и электродвижущими силами е σ 1 и е σ 1 , т.е.

Рассмотрим сначала идеальный трансформатор, в котором r 1 = 0; x σ 1 = 0; r 2 = 0; x σ 2 = 0; w 1 = w 2 .

При холостом ходе такой трансформатор не отличается от обычной идеальной катушки и может быть изображён схемой замещения (рис.15.33).

r м

Построим векторную диаграмму идеального трансформатора при холостом ходе (рис.15.34).

Намагничивающая сила при холостом ходе

Составим теперь схему замещения идеального трансформатора при его нагрузке (рис.15.35).

Если к зажимам вторичной обмотки подключить нагрузку с сопротивлением Z н , то в ней будет проходить ток , который, в свою очередь, будет стремиться уменьшить магнитный поток, а это приведёт к уменьшению э.д.с., вследствие чего ток возрастёт до такой величины, при которой магнитный поток приобретёт первоначальное значение и будет выполняться уравнение (15.35).

Таким образом, появление тока во вторичном контуре приводит к увеличению тока в первичном контуре. В нагруженном трансформаторе магнитный поток в сердечнике равен магнитному потоку при холостом ходе, т.е. всегда Ф = const. При нагрузке магнитный поток создаётся под действием намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток:

Построим векторную диаграмму идеального трансформатора при нагрузке (рис.15.36).

Преобразуем схему замещения идеального трансформатора, для чего избавимся от индуктивной связи. Если соединить одноимённые зажимы обмоток трансформатора между собой, то режим работы трансформатора не изменится.

Рассмотрим сначала индуктивно связанные элементы, которые теперь имеют общую точку. Коэффициент связи двух элементов в данном случае равен единице, поскольку весь магнитный поток полностью сцеплен с витками первичной и вторичной обмоток, т.е.

поэтому, учитывая, что w 1 = w 2 , находим:

Заменим теперь часть схемы с индуктивно связанными элементами с общей точкой (рис.15.37а ) на эквивалентную схему без индуктивной связи (рис.15.37б ).

;

С учётом найденного схема принимает вид, показанный на рис.15.37в , а схема замещения идеального трансформатора – вид, изображённый на рис.15.38.

Если теперь учесть активные и индуктивные сопротивления рассеяния обеих обмоток, то для трансформатора, у которого w 1 = w 2 , получим схему замещения, приведенную на рис.15.39.

Запишем уравнения первичного и вторичного контуров цепи:

;

Построим векторную диаграмму цепи (рис.15.40).

Магнитометр предназначен для измерения индукции магнитного поля. В магнитометре используется опорное магнитное поле, которое позволяет посредством тех или иных физических эффектов преобразовать измеряемое магнитное поле в электрический сигнал .
Прикладное применение магнитометров для обнаружения массивных объектов из ферромагнитных (чаще всего, стальных) материалов основано на локальном искажении этими объектами магнитного поля Земли. Преимуществом использования магнитометров в сравнении с традиционными металлодетекторами состоит в большей дальности обнаружения .

Феррозондовые (векторные) магнитометры

Одним из видов магнитометров являются . Феррозонд был изобретен Фридрихом Фёрстером ()

В 1937 году и служит для определения вектора индукции магнитного поля .

Конструкция феррозонда

одностержневой феррозонд

Простейший феррозонд состоит из пермаллоевого стержня, на котором размещена катушка возбуждения ((drive coil ), питаемая переменным током, и измерительная катушка (detector coil ).

Пермаллой - сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и 45-82 % никеля. Пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью (максимальная относительная магнитная проницаемость ~100 000) и малой коэрцитивной силой. Популярной маркой пермаллоя для изготовления феррозондов является 80НХС - 80 % никеля + хром и кремний с индукцией насыщения 0,65-0,75 Тл, применяется для сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей и реле, работающих в слабых полях магнитных экранов, для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле, для сердечников магнитных головок.
Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности поля для некоторых сортов пермаллоя имеет вид -

Если на сердечник накладывается постоянное магнитное поле, то в измерительной катушке появляется напряжение четных гармоник, величина которого служит мерой напряженности постоянного магнитного поля. Это напряжение отфильтровывается и измеряется.

двухстержневой феррозонд

В качестве примера можно привести устройство, описанное в книге Каралиса В.Н. "Электронные схемы в промышленности" -

Прибор предназначен для измерения постоянных магнитных полей в диапазоне 0,001 ... 0,5 эрстед.
Обмотки возбуждения датчика L1 и L3 включены встречно. Измерительная обмотка L2 намотана поверх обмоток возбуждения. Обмотки возбуждения питаются током частоты 2 кГц от двухтактного генератора с индуктивной обратной связью. Режим генератора стабилизируется по постоянному току делителем на резисторах R8 и R9 .

феррозонд с тороидальным сердечником
Одним из популярных вариантов конструкции феррозондового магнитометра является феррозонд с тороидальным сердечником (ring core fluxgate ) -

По сравнению со стержневыми феррозондами такая конструкция имеет меньшие шумы и требует создания намного меньшей магнитодвижущей силы .

Этот датчик представляет собой обмотку возбуждения , намотанную на тороидальном сердечнике, по которой протекает переменный ток с амплитудой, достаточной для ввода сердечника в насыщение, и измерительную обмотку , с которой снимается переменное напряжение, которое и анализируется для измерения внешнего магнитного поля.
Измерительная обмотка наматывается поверх тороидального сердечника, охватывая его целиком (например, на специальном каркасе) -

Эта конструкция аналогична первоначальной конструкции феррозондов (конденсатор добавлен для достижения резонанса на второй гармонике) -

Применение протонных магнитометров
Протонные магнитометры широко используются в археологических исследованиях.
Протонный магнитометр упоминается в научно-фантастической новелле Майкла Крайтона "В ловушке времени" ("Timeline ") -
He pointed down past his feet. Three heavy yellow housings were clamped to the front struts of the helicopter. "Right now we’re carrying stereo terrain mappers, infrared, UV, and side-scan radar.” Kramer pointed out the rear window, toward a six-foot-long silver tube that dangled beneath the helicopter at the rear. “And what’s that?” “Proton magnetometer.” “Uh-huh. And it does what?” “Looks for magnetic anomalies in the ground below us that could indicate buried walls, or ceramics, or metal.”

Цезиевые магнитометры

Разновидностью квантовых магнитометров являются атомные магнитометры на щелочных металлах с оптической накачкой.

цезиевый магнитометр G-858

Магнитометры Оверхаузера

Твердотельные магнитометры

Наиболее доступными являются магнитометры, встроенные в смартфоны. Для Android хорошим приложением, использующим магнитометр, является . Страничка этого приложения - http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/ .

Настройка магнитометров

Для тестирования феррозонда можно использовать . Катушки Гельмгольца используются для получения практически однородного магнитного поля. В идеальном случае они представляют собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой последовательно и расположенных на расстоянии радиуса витка друг от друга. Обычно катушки Гельмгольца состоят из двух катушек, на которых намотано некоторое количество витков, причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса. В реальных системах толщина катушек может быть сравнима с их радиусом. Таким образом, можно считать системой колец Гельмгольца две соосно расположенных одинаковых катушки, расстояние между центрами которых приблизительно равно их среднему радиусу. Такую систему катушек называют также расщепленный соленоид (split solenoid).

В центре системы имеется зона однородного магнитного поля (магнитное поле в центре системы в объеме 1/3 радиуса колец однородно в пределах 1% ), что может быть использовано для измерительных целей, для калибровки датчиков магнитной индукции и т. д.

Магнитная индукция в центре системы определяется как $B = \mu _0\,{\left({4\over 5}\right) }^{3/2} \, {IN\over R}$,
где $N$ – число витков в каждой катушке, $I$ – ток через катушки, $R$ – средний радиус катушки.

Также катушки Гельмгольца могут быть использованы для экранирования магнитного поля Земли. Для этого лучше всего использовать три взаимно перпендикулярные пары колец, тогда не имеет значения их ориентация.

Союз Советския Социалистичвския Рвспубли ависимое вт, свидетельств аявлено 23 Л 111.1971689631126-25 л. 6 01 г 33/00 б 01 ъ 3/08 единением заявки-осударстваииый комит Совета Мииистров ССС по делам изобретенийи открытий ПриоритетОпубликов 10,711.193, Бюллетень 838(088 та опубликован писания 2 б.ХП.1 Авторизобретени. Г. Семево Заявител РОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР) сердеч агнитной тате сниодномусоответИзобретение относится к устройствам для магнитных измерений и предназначено для измерения параметров магнитного поля с выдачей информации о них в цифровом виде.Известный магнитометр содержит ферромагнитный сердечник с входной обмоткой и обмоткой положительной обратной связи, широкополосный усилительк входам которого подключены эти обмотки, цифровой частотомер, подключенный к выходу широкополосного усилителя. Ферромагнитный сердечпиксобмотками и широкополосный усилитель образуют автоколебательный генератор, Частота колебаний автогенератора определяется индуктивностью обмотки с ферромагнитным сердечником, являющейся функцией проницаемости сердечника, которая, в свою очередь, есть функция внешней измеряемой напряженности магнитного поля. При приращении индуктивности под действием измеряемого поля изменяется частота колебаний автогенератора, и по показаниям частотомера с цифровым выходом судят об измеряемой напряженности магнитного поля.Недостаток известного магнитометра заключается в том, что при воздействии на сердечник измеряемых магнитных полей (положительной и отрицательной напряженнос вп магнитного поля разной величины),происходит смещение исходной рабочей точки в пределах гистерезисной диаграммы В(нника я, соответственно, исходной мпроницаемости сердечника. В резульжается точность измерений, так каки тому же значению напряженностиствуют разные показания частотомера.Целью изобретения является,повышеннеточностии измерения напряженности магнитногополя.10 Поставленная цель достигается тем, чтомагнитометр снабжен дополнительной обмоткой и генератором однополярных импульсов,к которому подключена дополнительная обмотка, размещенная на ферромагнитном сер 15 дечнике,Схема предложенного магнитометра показана на чертеже.Магнитометр содержит ферромагнитный сердечник 1 с обмотками: входной 2, дополни 20 тельной 3 и обмоткой 4 положительной обратной связиширокополосный усилитель 5, квходам которого подключены обмотки 2 и 3,цифровой частотомер б, подключенный к выходу широкополосного усилителя, и генератор25 7 однополярных импульсов, выход которогоподключен к дополнительной обмотке.Ферромагнитный сердечник 1 с входной обмоткой 2 входит в состав колебательного контура автоколебательного генератора, образоз 0 ванного широкополосным усилителем 5 и об.393704 3моткой положительной обратной связи 4. -1 астоту автоколебательного генератора измеряют цифровым частотомером б.Для принудительной стабилизации исходной рабочей точки по дополнительной обмотке 8 периодически пропускают однополярные импульсы от генератора 7, создающие импульсную напряженность магнитного поля, превышающую величину технического насыщения сердечника 1. Благодаря периодичес кому намагничиванию сердечника исходную рабочую точку периодически приводят в одно и то же исходное состояние, соответствующее остаточному значению магнитной индукции по предельной петле гистерезиса сердечника 1. 15 Период следования импульсов от генератора 7 превышает длительность отсчета частотомера б, поэтому действие импульсов не сказывается на результате измерения. Таким образом, введение дополнительной обмотки 3 и генератора однополярных импульсов 7, выход которого подключен к этой обмотке, повышает точность измерения напрязкенности магнитного поля благодаря стабилизации исходной рабочей точки. Предмет изобретения Феррозондовый магнитометр, содержащий ферромагнитный сердечник, входную обмотку, обмотку обратной связи, широкополосный усилитель и частотомер с цифровым выходом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измерения напряженности магнитного поля, в него введен генератор однополярных импульсов с подключенной к его выходу дополнительной обмоткой, размещенной на ферромагнитном сердечнике,Тираж 755комитета Совета Министров СССРбретений и открытийРаушская наб., д, 4/5 одписно Составитель В. Семенов Техред А. Камышникова Изд.879 осударственного по делам изо Москва, Ж, Типографни, пр. Сапунова орректоры: Л. Царьков и Е. Блюмин

Заявка

В. Г. Семенов

МПК / Метки

Код ссылки

Феррозондовый магнитометр

Похожие патенты

Рассчитана на три канала. Индицирующие светодиоды 17 в количестве, равном числу каналов, размещены на световом табло. Устройство работает следующим образом.При протекании тока по обмотке статора на выходе стабилитрона 4 возникает се 5 мент (мост) 5, напряжение на выходе которого пропорционально отклонению тем 30 40 45 50"Недопустимо". 55 10 15 рия однополупериодных импульсов заданной величины (определяемой стабилитроном 4), Это напряжение подается на термочувствительный измерительный элепературы изоляции стержня от некоторой базисной величины. Ограничители уровня,выполненные, например, в виде тиристоров 12-14, настроены каждый на определенное пороговое напряжение включения, По достижении того или иного порога ограничитель...

Две измерительные обмотки. соединенные последовательно-встречно. намотанные первым, ближайшим к сердечнику слоем, первая иэ которых расположена на одном ярме сердечника, вторая - на стержне сердечника, измерительная обмотка для измерения напряжения на нагрузках располагается на втором, свободном, ярмесердечника,Совокупность признаков, введенных вограничительную и отличительную асти формулы, позволяют достичь поставленную цель. Среди известных решений не встречается укаэанная совокупность признаков, нэ основании чего можно сделать вывод, чтс предлагаемое устройство обладает существенными отличиями,На фиг.1 показана схема электрическая для реализации способа измерения мощности. подводимой к нагрузкам трансформатора; на фиг,2...

Способа - упрощениезамера при воспроизведении прихода униполярной волны по одной фазе обмотки высшего напряжения трансформатора.Это достигается тем, что исследуемый гене ратор отсоединяют от обмотки низшего напряжения трансформатора и на две фазы обмотки статора указанного генератора подают биполярные импульсы противоположной полярности, и фиксируют наведенные при этом 25 напряжения на обмотке ротора генератора.При воздействии волны перенапряжениякак на одну, так и на две фазы обмотки высокого напряжения трансформатора, соединенного по схемеТ, Миронов аказ 849,3ЦНИ Тираж 755митета Совета Министтений и открытийушская наб., д. 45 Изд.406 сударственного к по делам изобр Москва, Ж, Р ПодписноСССР И Г Типография апунова,на выводах двух...

Главная > Юриспруденция > Магнитометры на первой и второй гармонике. Феррозондовый магнитометр