Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником




НазваниеДифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником
страница1/8
Дата публикации23.05.2014
Размер1.04 Mb.
ТипДокументы
literature-edu.ru > Лекции > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8
C:\Users\Юля\Desktop\1\11_2_8 Феррозондовые ПМП.mht

11.2.8 Феррозондовые преобразователи магнитного поля

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 ωв, питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки ωи.

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, изменяющемуся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Н0, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится  несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются  четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых  пропорциональна напряженностиизмеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания. Феррозонды подразделяются на стержневые одноэлементные (рис11.48а), дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.11.48б) и дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.11.48 в).

Дифференциальный феррозонд (рис.11.48 б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические оставляющие 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 до10-4   - 10-5 (∽10 -10 - 10 -11 Тл).

Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются изготавливаемые в РФ  магнитометры Г73, составляет менее 1 см3, а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается  в куб со стороной 15 мм.

 

 

сердечник

mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\11_2_8%20феррозондовые%20пмп.mht!http://www.support17.com/art/img8780.jpg

                           mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\11_2_8%20феррозондовые%20пмп.mht!http://www.support17.com/art/img8781.jpg

                                                                                                                                           в)

                                                      

Рис.11.48.Варианты конструкций феррозондов: а - одноэлементный стержневой; б - дифференциальный с разомкнутым сердечником; в - дифференциальный с замкнутым сердечником.

 

     В качестве примера на рис.11.49.  приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда. Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений. Его  сердечник изготовлен из пермаллоя.

mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\11_2_8%20феррозондовые%20пмп.mht!http://www.support17.com/art/img8782.jpg

 

Рис11.49.Конструкция и габариты миниатюрного стержневого 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 оставляет ±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 Ч Гц1/2) 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. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со  стержневыми сердечниками.

Феррозонды широко применяются в аппаратуре, предназначенной для измерения параметров магнитного поля Земли и его вариаций (в частности, при поиске полезных ископаемых, создающих локальные аномалии магнитного поля); для измерения магнитного поля Луны, планет, межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и частиц в неферромагнитной среде (например, в хирургии); в системах контроля за качеством выпускаемой продукции (в магнитной дефектоскопии и др.).

В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это невысокая геометрическая разрешающая способность, значительная зависимость основных параметров от воздействия климатических и механических факторов. Процесс изготовления феррозондов трудоемкий, и, следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды .

    В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это невысокая геометрическая разрешающая способность, значительная зависимость основных параметров от воздействия климатических и механических факторов. Процесс изготовления феррозондов трудоемкий, и, следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды .

C:\Users\Юля\Desktop\1\Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.htm

Одностержневой феррозонд
Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.

Наша Земля — огромный постоянный магнит, полюсы которого лежат в приполярных областях.
В районе магнитных полюсов вектор напряженности естественного магнитного поля перпендикулярен земной поверхности, а на экваторе параллелен ей.
В наших широтах угол между этим вектором и поверхностью Земли составляет 40...60 град, а напряженность естественного магнитного поля — около 50 А/м.

Приборы для измерения магнитного поля называют магнитометрами и строят на основе феррозондов — элементов, чувствительных к внешнему постоянному или медленно изменяющемуся магнитному полю.

Одностержневой феррозонд содержит ферромагнитный магнитопровод и намагничивающую катушку в форме охватывающего магнитопровод соленоида [1].
Напряженность Н магнитного поля внутри соленоида при протекании по нему тока I рассчитывают по формуле:

H=I*N/L

где L — длина соленоида, м,
N — число витков в нем.
Размерность напряженности поля — А/м, а произведение I*N принято называть числом ампер-витков.

Магнитное поле в веществе характеризуют магнитной индукцией, равной:

B=µ0*µ*H

Произведение µ0*µ называют абсолютной магнитной проницаемостью среды;
µ0 = 4π*10-7 — магнитная постоянная;
µ — относительной магнитной проницаемостью среды.

У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость µ не только очень велика (у железа — 5000. .10000, у пермаллоя 79НМ — до 100000...300000), но и зависит от напряженности намагничивающего поля.
При увеличении напряженности от нуля она быстро возрастает, достигает максимума, а затем (в очень сильных полях) падает и приближается к единице.

В результате этого катушка с ферромагнитным магнитопроводом обладает сильно выраженной нелинейностью — зависимостью индуктивности от напряженности магнитного поля.
Если такую катушку включить в колебательный контур автогенератора, при изменении внешнего магнитного поля будет изменяться не только частота, но и скважность генерируемых колебаний. Последнее объясняется тем, что в одном полупериоде внешнее поле складывается с внутренним, создаваемым протекающим по обмотке током, а в другом (после смены направления тока) вычитается из него. В результате индуктивность катушки в соседних полупериодах автоколебаний становится различной и они приобретают неодинаковую длительность.
В генерируемом напряжении образуется постоянная составляющая зависящая от напряженности внешнего магнитного поля.

Несложный датчик магнитного поля может быть изготовлен как для познавательных целей, так и для решения различных прикладных задач.
Он может быть использован в различных системах охраны, сигнализации и регистрации — везде, где требуется обнаруживать перемещение ферромагнитных предметов относительно датчика либо перемещение его самого в магнитном поле Земли или в поле, специально созданном постоянными магнитами.

Конструкция феррозонда, использованного в описываемом датчике, показана на рис. 1.

c:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\001_01.gif

На цилиндрическом каркасе 1 из текстолита или стеклотекстолита намотана обмотка 2. Она состоит из 640 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,125 мм, уложенного в два слоя. Длина обмотки — 50 мм. индуктивность без магнитопровода — 200...250 мкГн, активное сопротивление — 15. .17 Ом.
Магнитопровод 3 представляет собой отрезки ленты из аморфного магнитного сплава толщиной 25 мкм и шириной 1 мм, уложенные в щель, пропиленную вдоль каркаса 1.
Такие сплавы сегодня широко используются при производстве тороидальных магнитопроводов [2].
Важное обстоятельство, способствующее их широкому внедрению, — необязательность отжига после механической обработки.
Число витков обмотки, толщина и ширина ленты могут меняться в широких пределах.
Магнитопровод можно изготовить также из пермаллоя 79НМ или подобного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, однако отжечь его в среде водорода в любительских условиях вряд ли удастся.

Схема датчика изображена на рис. 2.

c:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\002_01.gif

Колебательный контур автогенератора на ОУ DA1.1 образован феррозондом L1 и конденсатором С1.
Резистор R2 подбирают, добиваясь максимальной чувствительности датчика.
В изготовленном автором устройстве измеренный коэффициент преобразования магнитного поля — отношение приращения среднего значения напряжения на выходе DA1.1 к вызвавшему его изменению внешнего магнитного поля — достигал 4000 В/Тл.
Полосовой фильтр R4R5C2C3 пропускает лишь медленные изменения напряжения на выходе автогенератора, подавляя составляющие с частотой генерации (около 20 кГц) и ее гармоник.

АЧХ этого фильтра показана на рис. 3

c:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\005_01.gif


Коэффициент усиления ОУ DA1.2 устанавливают подстроечным резистором R7. Чем больше этот коэффициент, тем при меньшем изменении магнитного поля будут вспыхивать светодиоды HL1 и HL2.
Соответствие между вспыхнувшим светодиодом и направлением изменения поля устанавливают экспериментально.
Оно зависит например, от направления намотки обмотки феррозонда L1.

Сдвоенный ОУ КР1446УД11А можно заменить другим (например, TL072) с высоким входным сопротивлением.
Конденсаторы С1—СЗ — пленочные, например, К73-16. Заменять их керамическими не следует из-за недостаточной термостабильности последних.
Оксидные конденсаторы С4 и С5 могут быть отечественными или импортными любого типа.

Корпус датчика должен быть изготовлен из пластмассы или другого немагнитного материала.
Связать датчик с внешними исполнительными устройствами можно через оптронную гальваническую развязку, как показано на рис. 4.

Излучающие диоды сдвоенного оптрона подключают вместо светодиодов HL1 и HL2. Сигнал тревоги (открывание одного из соединенных параллельно фототранзисторов) будет подаваться при любом знаке изменения магнитного поля. Оптрон АОТ101АС можно заменить на АОТ101БС (при этом допустимый ток нагрузки возростает с 10 до 20 мА) или зарубежным аналогом TLP504A.

После сборки и монтажа датчик подключают к источнику питания и проверяют работу автогенератора. Для этого осциллографом контролируют форму напряжения на выходе ОУ DA1.
При перемещении феррозонда из горизонтального в вертикальное положение должно наблюдаться изменение скважности и частоты генерируемых колебаний.
Далее к точке соединения резистора R4 с конденсаторами С2 и СЗ подключают милливольтметр постоянного напряжения с высокоомным входом, например, мультиметр DT830. При совпадении продольной оси феррозонда с направлением вектора естественного магнитного поля Земли (в наших широтах около 50 град, относительно горизонта в плоскости магнитного меридиана) милливольтметр должен показать приблизительно 240 мВ по абсолютному значению.
Полярность зависит от того, как ориентирована продольная ось магнитопровода феррозонда, — по полю или против него.
С увеличением сопротивления резистора R2 это напряжение должно возрастать. Оно может достигать плюс или минус 500 мВ, однако стабильность работы автогенератора при этом ухудшается.
Быстрое изменение ориентации феррозонда должно приводить к включению светодиодов.
Через некоторое время после прекращения движения, зависящее от нижней частоты среза полосового фильтра, вспыхнувший светодиод гаснет.

Далее, закрепив феррозонд неподвижно, проверяют чувствительность датчика к приближению и удалению различных ферромагнитных предметов, обладающих остаточной намагниченностью.
Можно проверить зависимость чувствительности датчика от его положения относительно вектора естественного магнитного поля и от скорости перемещения объектов.
Значительное влияние на работу датчика. построенного по рассмотренной схеме, оказывает температурный дрейф нуля ОУ DA1.2. Чтобы уменьшить это влияние, можно заменить усилитель, построенный по схеме УПТ, двумя-тремя ступенями усиления переменного напряжения (с разделительными конденсаторами между ними). Для этого можно заменить сдвоенный ОУ счетверенным. например, TL074.

ЛИТЕРАТУРА:
1. Афанасьев Ю. Феррозонды — Л.: Энергия, 1969
2. Сидоров И. и др. Малогабаритные маг-нитопроводы и сердечники: Справочник — М.: Радио и связь, 1989.

Источник: Радио №11 2010  Автор: Е. Уляшев, г. Томскc:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\006_01.gif

C:\Users\Юля\Desktop\1\Дефектоскопия - Физическая энциклопедия.mht
  1   2   3   4   5   6   7   8

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconМетодические рекомендации тема восточные славяне и образование древнерусского государства
Возникновение Древнерусского государства и дискуссионные вопросы норманской теории

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconЛитература: [1]. А. Н. Колмогоров, С. В. Фомин. Элементы теории функций...
Е называется замкнутым. Если E=E', то множество е называется совершенным. Множество [E]=E+E' называется замыканием E. Точка x0 называется...

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconЛичность писателя и время
Явление актуально именно в переход-ные периоды, когда на смену существующей цивилизационной системе приходит другая. Уверены, в аналогичной...

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconМетодические рекомендации по организации и проведению информационных часов Информационный час
Информационный час — форма просветительской рабо ты среди учащихся, направленной на воспитание гражданской, нравственно-правовой,...

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconЗадача не может не увлечь того, кто берется
См введение останавливает всякого, кто занимается историей раннего христианства и его духовного окружения. В этом сочинении, обещающем...

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconКафедра гтс, к и г покрытие производственного здания по металлическим фермам
Проектируется покрытие производственного здания по стальным фермам. Фермы устанавливаются на стены здания. Размеры здания в плане,...

Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником iconЧетвертый Информация для планирования, управления и измерения показателей функционирования
Быть оп­ределен при помощи оценивания общего объема реализации на рынке за отчетный период и умножения полученной оценки на целевую...

Литература


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
literature-edu.ru
Поиск на сайте

Главная страница  Литература  Доклады  Рефераты  Курсовая работа  Лекции