4.8.5. Магнитомодуляционные пип

Действие магнитомодуляционных преобразователей основано на изменении магнитного состояния ферромагнит­ного материала при одновременном намагничивании в постоянном и переменном магнитных полях (либо в двух переменных полях различной частоты). Модуляция магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств магнитной цепи.

Магнитомодуляционные преобразователи исполь­зуются: 1) для измерения напряженности постоянного магнитного поля (феррозонды); 2) для измерения перемещения (преобразователи перемещения); 3) в измерительных трансформаторах постоянного тока; 3) в магнитных усилителях; 4) в счетно-решающей технике в качестве логических элементов и запоминающих устройств.

Феррозондовые преобразователи

Феррозондовые преобразователи применяются для измерения магнитной индукции сла­бых постоянных и медленно изменяющихся (с частотой не более 100 Гц) магнитных полей, в магнитной дефектоскопии, для измерения углов между какими-либо осями объекта и вектором магнитной индукции, для обнаружения ферромагнитных объектов, для измерения магнитной восприимчиво­сти и магнитного момента слабомагнитных веществ, при исследовании магнитного поля при построении градиентометров, Земли, космического пространства, в магнитных системах навигации и ориентации, при поиске полезных ископаемых и др.

Действие феррозондовых преобразователей основано на нелинейности кривых намагничивания сердечников из ферромагнитных материалов.

При воздействии на ферромагнитный материал переменного синусоидального магнитного поля H = Н_m sinωtкривая индукцииВв материале будет несинусоидальна, но симметрична относительно оси времени (рис. 4.45а).

При наложении постоянного магнитного поля с напряженностью Н₀вследствие нелинейности кривой намагничивания симметрия индукции нарушается (рис. 4.45б) и при этом в составе кривой индукции появятся четные гармоники. Степень асимметрии зависит от значения напряженности постоянного магнитного поля Н₀. Эта зависимость используется при построении магнитомодуляционных преобразователей напряженности или индукции постоянного магнитного поля. Подобные преобразователи получили названиеферрозондовых. Переменное магнитное поле в феррозондовом преобразователе создается с помощью катушки (возбуждающей катушки), по которой протекает переменный ток.

а б

Рис. 4.45

Феррозондовые преобразователи характеризуются: малой потребляемой мощностью, малыми габаритами, высокой чувствительностью, надежностью работы, высоким КПД и избирательностью к локальным магнитным полям рассеяния.

Феррозондконструктивно состоит из двух идентичных полузондов, каждый из которых содержит сердечник из магнитомягкого материала с размещенными на них двумя катушками. Одна катушка– возбуждающая– подключается к источнику переменного тока, другая –измерительная. На практике широко применяются феррозондовые датчики с одной измерительной катушкой, охватывающей оба сердечника (рис. 4.46а, б).

Существует много разновидностей феррозондовых преобразователей, отличающихся режимом работы, конструкцией, способом наложения вспомогательного магнитного поля.

В зависимости от взаимной ориентации векторов внешнего магнитного поля и магнитного поля возбуждения преобразователя различают феррозонды с продольным и поперечным возбуждением.

Наиболее широкое применение получили дифференциальные феррозонды с продоль­ным возбуждением с разомкнутой (рис. 4.46а) или замкнутой (рис. 4.46б) магнитной цепью [15]. Дифференциальный ферромодуляционный преобразователь (рис. 4.46а) состоит из двух идентичных ферромагнитных сердечников 1 и 2 с обмотками возбуждения 3 и 4, которые включены последовательно, но встречно, так что создаваемые ими переменные магнитные потоки сдвинуты на 180⁰. Оба сердечника с обмотками возбуждения (модулирующими обмотками) охватывает изме­рительная обмотка 5. Синусоидальный ток возбуждения i = I_msinωt создает в обмотках возбуждения 3 и 4 магнитное поле возбуждения (модулирующее поле) Н₁ = Н₂ = Н_msinωt. Так как характер изменения индукции в обоих сердечниках одинаков, то значения индукций будут одинаковыми, но иметь разные знаки (В₁ = −В₂), и в измери­тельной обмотке 5 ЭДС не будет индуктироваться.

а б в

Рис. 4.46

П

Рис. 4.47

ри воздействии постоянного магнитного поля Н_Х (рис. 4.46а) напряженность магнитного поля в первом сердечнике Н₁ = Н_msinωt + Н_Х, а во втором – Н₂ = Н_msinωt - Н_Х. В этом случае вследствие нелинейности кривой намагничивания значения индукции в стержнях 1 и 2 становятся различными. В измерительной обмотке 5 будет наводиться ЭДС несинусоидальной формы, главная особенность которой состоит в том, что ее период Т_и вдвое меньше периода возбуждающего тока. Это означает, что постоянное внешнее подмагничивающее поле Н_х обусловливает появление второй гармоники в выходном сигнале феррозонда. Эта вторая гармоника и является информативной, по действующему (или амплитудному) значению которой судят о напряженности Н_х. На рис. 4.47 показана характеристика подобного феррозондового преобразователя [17]. При Н_х = 0 выходной сигнал феррозонда равен нулю. Рабочим является близкий к линейному начальный участок, где действующее значение второй гармоники U₂ пропорционально напряженности H_x, U₂ = kH_X или U₂ = k₁B_X, где k₁ и k₂ – коэффициенты, определяемые параметрами феррозондового преобразователя, частотой и значением поля возбуждения. При изменении по­лярности Н_х (В_х) выходное напряжение изменяет фазу на 180⁰. При зна­чительном увеличении H_x (больше H_{x max}) происходит насыщение ма­те­ри­ала сердечника.

В преобразователе, представленном на рис. 4.46б, так как возбуждающие обмотки включены встречно при отсутствии внешнего магнитного поля (Н_х = 0), магнитный поток в сердечнике 1 будет равен нулю. В этом случае в измерительной обмотке 5 ЭДС индуктироваться не будет. При воздействии постоянного магнитного поля Н_Х ≠ 0 суммарный магнитный поток Ф в замкнутом ферромагнитном контуре 1 становится отличным от нуля и в измерительной катушке будет индуктироваться ЭДС. Как и для преобразователя, изображенного на рис. 4.46а, информативной будет вторая гармоника выходного сигнала U₂. При превышении напряженности постоянного поля Н_Х некоторого максимального значения Н_{x max} происходит насыщение материала сердечника и напряжение измерительной обмотки уменьшается практически до нуля.

Феррозондовые преобразователи, применяемые для измерения абсолютной величины напряженности или индукции магнитных полей, получили название феррозонды-полемеры. В них обмотки возбуждения соединяются последовательно и встречно (см. рис. 4.46а, б).

Феррозонды-полемеры являются высокочувствительными магнитоизмерительными преобразователями. Нижний предел измерения феррозондовых ИП для измерения индукции достигает 0,05–0,1 нТл. Верхний предел измерения ограничен нарушением ли­нейности функции преобразования и обычно не превышает 5–10^–4 Тл. [15]. Для измерений более сильных полей применяется метод уравновеши­вания.

Для оценки неоднородности постоянного магнитного поля используются феррозонды-градиентометры, которые по устройству аналогичны феррозондам- полемерам и отличаются от них соединением обмоток. В феррозонде-градиентометре (рис. 4.46в) обмотки возбуждения 3 и 4 соединены последователь­но-согласно. Тогда Н_Х1= Н_Х2, а следовательно, и индукция в каждом сердечнике одинаковы в любой момент времени. Измерительные катушки 5 и 6 включены последовательно-встречно, поэтому выходное напряжение катушки этого феррозонда, равное разности ЭДСе₁ие₂в измерительных катушках 5 и 6, равно нулю. Если же напряженность магнитного поля изменяется в направлении Х, перпендикулярном вектору напряженности поля Н_Х, то напряженность Н_X1 магнитного поля, действующего на сердечник 1, будет не равна напряженности Н_X2 магнитного поля, действующего на сердечник 2 . Это приводит к тому, что индукция в каждом сердечнике не будет одинаковой и появится выходной сигналU_вых=е₁(t) - е₂(t). Выходное напряжение, как и в феррозонде- полемере, несинусоидально, но главной его особенностью также является наличие второй гармоники. Амплитуда выходного сигнала пропорциональна степени неоднородности внешнего поля, т. е. пропорциональна градиентуG(Х) напряженности магнитного поля [8]:

, (4.112)

ΔХ– приращение координаты Х.

Расстояние ΔХмежду сердечниками называется базой феррозондового преобразователей. Значение базы составляет единицы миллиметров (3–4 мм).

Диапазон измерения феррозондов-градиентометров составляет единицы – сотни тысяч ампер на метр квадратный.

Погрешности феррозондовых ПИП

Основными причинами появления погрешностей феррозондовых ИП являются: 1) изменение температуры окружающей среды; 2)наводки и шум.

Влияние температуры существенно уменьшается при выполнении феррозондовых ИП дифференциальными. Для уменьшения погрешностей, обусловленных наводками осуществляется симметрирование датчиков феррозондов и защита от наводок измерительных цепей.

Погрешность таких феррозондов-полемеров может достигать значения до 0,01 %. Погрешность феррозондов-градиентометров достигает единиц процентов.

Измерительные цепи феррозондовых ПИП

Во всех случаях применения феррозондов необходимо выделять вторую гармонику выходного сигнала, так как именно она несет информацию о напряженности измеряемого поля. При этом первая гармоника должна подавляться.

К

Рис. 4.48

измерительным цепям феррозондовых ИП предъявляются следующие требования: источник питания возбуждающей обмотки должен характеризоваться низким уровнемчетных гармоник в токе возбуждения; измерительная цепь должна выделять вторую гармонику из выходного сигнала феррозондового пре­образователя. В качестве при­мера на рис. 4.48 показана структур­ная схема измерительной цепи феррозондового тесламетра [15].

Ферро­зонд ФЗ питается от ге­нератора переменного тока Г. С помощью фильтра нижних частот ФНЧ снижается уро- вень четных гармоник в токе возбуждения. ФНЧ имеет максимальное затухание на частоте второй гармоники. Избирательный усилитель Ус, настроенный на частоту второй гармоники, и фазочувствительный выпрямитель ФЧВ выделяют вторую гармонику из выходного сигнала феррозондового преобразователя.

Магнитомодуляционные преобразователи перемещения

Действие преобразователя основано на изменении индуктивности обмотки, намотанной на ферромагнитном сердечнике при перемещении постоянного магнита в зазоре сердечника.

Н

Рис. 4.49

а рис. 4.49 показано устройство магнитомодуляционного преобразователя перемещения [15]. Между двумя сердечниками 1 и 2 расположен постоянный маг­нит3. Поток, создаваемый магнитом, замыкается через сердечники. При симметричном положении магнита потоки через сердечники равны и, следовательно, в каждом из сердечников действуют одинаковые индукции постоянного подмагничивания: В = 0,5σФ₌/(2S_серд), где Ф₌ – поток магнита; σ – коэффициент рассеяния и S_серд – пло­щадь сечения сердечника. На сердечник 1 намотана обмотка с числом витков , а сердечник 2 служит магнитным шунтом. Обмотка через ре­зистор подключена к источнику переменного тока. При перемещении магнита влево индукция в сердечнике 1 увеличивается и маг­нитная проницаемость материала падает. Магнитное сопроти сопротивление переменному потоку возрастает, индуктивность обмотки падает, ток и падение напряжения на резистореR_н увеличиваются. Таким образом, входной величиной преобразователя является перемещение магнита, а выходной – падение напряжения на резисторе R_н.