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...
Для измерения небольших по величине постоянных и переменных магнитных полей применяют феррозонды, представляющие собой в простейшем виде стержни, выполненные из магнитомягкого материала и имеющие две обмотки, одна из которых создает временный магнитный поток, а другая является измерительной.
При прохождении через обмотку возбуждения переменного тока синусоидальной формы магнитное состояние сердечника будет изменяться по динамической петле гистерезиса, при этом в измерительной обмотке появляется э. д. с., которая кроме основной частоты будет содержать высшие нечетные гармоники.
Рис. 21. Принципиальная схема баллистической установки: электромагнит, измерительная катушка, баллистический гальванометр, первичная и вторичная обмотки эталонной катушки, переключатели, ключ, система реостатов, А - амперметр
Рис. 22. Схематическое устройство измерительного зонда
Если такой зонд поместить в постоянное магнитное поле, направленное так же, как и переменное поле по оси сердечника, то магнитное состояние сердечника будет уже изменяться по несимметричному частному циклу. Это объясняется тем, что в направлении действия постоянного поля перемагничивание сердечника будет происходить при меньших значениях переменного поля, чем при отсутствии постоянного поля, а в противоположном направлении постоянное поле будет препятствовать перемагничиванию. В этом случае в кривой э. д. с. наряду с нечетными гармониками появятся четные, главным образом вторые гармоники. Оказывается, что величина э. д. с. этой
гармоники пропорциональна напряженности магнитного поля. По величине э. д. с., пропорциональной этой гармонике, и измеряют напряженность поля.
На рис. 22 показано схематическое устройство одного из измерительных зондов, сердечник которого сделан из магнитомягкого материала пермаллоя. Сердечник складывается из 20-50 пластин толщиной Если на обе стороны сердечника намотать одинаковое число витков одного провода в противоположных направлениях, то магнитные потоки, создаваемые каждой обмоткой, будут равны.
Рис. 23. Схематическое устройство магнитного зонда мостикового типа
Рис. 24. К устройству зонда мостикового типа
Обмотки соединены между собой последовательно. Измерительную катушку 3 надевают на сердечник 1. Если через витки обмотки 2 пропускать переменный ток, то в измерительной катушке не возникнет, так как изменения магнитного потока по времени от каждой обмотки 2 будут равны и противоположны по направлению. При помещении сердечника в постоянное однородное поле, которое направлено перпендикулярно плоскости сечения обмоток и катушки, произойдет перераспределение магнитных потоков в пространстве между обмотками 2, так как постоянное поле будет складываться с переменными полями, в результате чего в измерительной катушке 3 возникнет электродвижущая сила. Эта э. д. с. будет пропорциональна напряженности магнитного поля. С помощью такого зонда при частоте переменного тока 103 гц можно измерять магнитные поля порядка
Существуют в настоящее время магнитные зонды мостикового типа . Один из таких мостов изображен на рис. 23. Мост вырезают из листового магнитомягкого материала (рис. 24). Собирают его из нескольких листов, одну половину которых вырезают вдоль, а другую - поперек прокатки. Это обеспечивает оптимальную магнитную однородность плечей моста и улучшает магнитный контакт ветвей. Отрезки загибают и соединяют друг с другом так, что образуется вторая диагональ моста. На диагоналях моста расположены катушки 1 и 2, при этом любая из них может быть или измерительной, или возбуждающей. Обмотка катушки возбуждения питается переменным током промышленной или
повышенной частоты. Магнитный мостик находится в равновесии, при этом без внешнего постоянного магнитного поля в измерительной катушке не возникает э. д. с. Если мостик поместить во внешнее постоянное магнитное поле, то равновесие моста нарушается, в диагонали моста появится переменный магнитный поток и в измерительной катушке возникнет э. д. с. индукции, величина которой определяет значение напряженности внешнего поля. Максимальное значение э. д. с. возникает в измерительной катушке, если внешнее поле направлено параллельно двум противоположным ветвям мостика. Для увеличения чувствительности магнитный мостик делают иногда с полюсами (рис. 25).
Рис. 25. Схематическое устройство магнитного зонда с полюсами
Рассмотрим высокочувствительный компенсационый магнитометр для измерения напряженности магнитного поля до , где использован магнитонасыщенный зонд. Принципиальная схема магнитометра и разрез магнитонасыщенного зонда показаны на рис. 26 и 27.
Схема магнитометра состоит из цепи возбуждения и сигнала, компенсационной цепи и цепи для проверки чувствительности устройства
В цепь возбуждения и сигнала входят генератор 4, удвоитель частоты 5, фазовый дискриминатор 6, резонансный усилитель 7 и индикаторный прибор 8. Для повышения чувствительности в приборе применен компенсационный метод измерения, при котором измеряемое поле соленоида 2 компенсируется другим полем известной величины и противоположного направления. Это поле создается при помощи катушки с током, внутри которой расположен зонд 1. Компенсирующая катушка 3 используется или в форме обычного соленоида, или в форме замкнутой катушки. Катушку второго вида применяют в том случае, когда вблизи магнитометра находятся ферромагнитные материалы.
Компенсацию можно также осуществить с помощью тока, который пропускают через измерительную обмотку образца. При этом значительно уменьшаются размеры измерительной головки» но зато ухудшается однородность компенсирующего поля. Для питания компенсационной цепи следует использовать аккумуляторные батареи большой емкости. Магнитонасыщенный зонд состоит из двух сердечников 6, выполненных из молибденового пермаллоя. Сердечники собираются из пластин размером которые вырезаются вдоль проката и подвергаются термической обработке. На сердечниках находится обмотка возбуждения 4, имеющая 1400 витков проволоки диаметром и измерительная обмотка 3 в 400 витков проволоки
В обмотку возбуждения подают напряжение величиной 25 в частоты гц. Ток возбуждения равен 0,3 а. При этих условиях установка имеет наибольшую чувствительность. Перед началом измерений зонд настраивают перемещением сердечника в катушках Гельмгольца. Получаемый на измерительной обмотке сигнал усиливается настроенным резонансным усилителем, а затем поступает на фазовый дискриминатор. Отклонение стрелки нулевого прибора на 2-3 деления соответствует напряженности магнитного поля Описанный магнитометр стабилен в работе и его режим практически не зависит от изменений внешних условий (температуры, механических вибраций и т. д.).
Рис. 26. Принципиальная схема магнитометра с магнитным зондом: 1 - зонд, 2 - соленоид, 3 - компенсирующая катушка, 4 - генератор, 5 - удвоитель частоты, 6 - фазовый дискриминатор, 7 - резоиаисиый усилитель, 8 - индикаторный прибор, компенсационная цепь, цепь для проверки чувствительности устройства
В работе приведен расчет оптимальных условий работы зонда, состоящего из двух пермаллое-вых сердечников размерами 0,18X1,75X100 Обмотку возбуждения наматывают из проволоки длиной с числом витков 350, Измерительная обмотка состоит из 1500 витков провода На выходе установки включен вольтметр, который фиксирует только величину выходной э. д. с. второй гармоники. Для расчета эффективного значения амплитуды этой гармоники служит следующая формула:
где внешнее измеряемое магнитное поле, чувствительность зонда к внешнему полю во второй гармонике. Последнюю величину определяют по формуле
где число витков измерительной обмотки, площадь поперечного сечения сердечников, - частота переменного тока, питающего обмотки возбуждения, коэффициент, учитывающий рассеивание потока некоторая постоянная, зависящая от магнитных свойств материала и размагничивающего фактора.
Чувствительность определяют при оптимальном значении подмагничивающего тока, силу которого рассчитывают по формуле
где число витков в обмотке возбуждения.
Описываемый зонд имеет высокую чувствительность в том случае, если применяется длинный сердечник.
Грабовский и Скоробогатов применили пермаллоевый феррозонд для измерения коэрцитивной силы Их установка состояла из двух совершенно одинаковых намагничивающих катушек, между которыми располагался феррозонд длиной шириной и толщиной Через катушки пропускали ток такого направления, что в пространстве, занимаемом феррозондом, магнитные поля катушек взаимно компенсировались. Для измерения коэрцитивной силы намагниченный образец помещали в одну из катушек, при этом магнитное поле образца вызывало отклонение стрелки прибора, который включали в индикаторную обмотку, расположенную на феррозонде. Пропуская постоянный ток через намагничивающие катушки, постепенно размагничивали образец. В момент, когда стрелка индикаторного прибора возвращалась в нулевое положение, измеряли силу тока в катушках и рассчитывали значение коэрцитивной силы по формуле где постоянная катушки.
Рис. 27. (см. скан) Разрез магнитного зонда: 1 - токоподводящие лепестки, 2 - корпус, 3 - измерительная обмотка, 4 - обмотка возбуждения, 5 - каркас, 6 - сердечник, 7 - изоляционная прокладка
При помощи описанного коэрцитиметра можно быстро провести измерение с точностью до 2-3%.
В коэрцитиметре Януса феррозонд имеет форму рамки, на боковых сторонах которой расположены две обмотки: возбуждения и измерительная. Исследуемый образец помещен в соленоид так, что его концы выступают из соленоида. Они примыкают к железному ярму, средняя часть которого замыкается сердечником феррозонда.
Дрожжина и Фридман предложили феррозондный
магнитометр для исследования магнитных свойств мягких магнитных материалов. В их магнитометре подвижная астатическая система заменена феррозондами, которые позволили устранить колебания нуля. Феррозонд представляет собой два сердечника сделанные из пермаллоя Обмотки возбуждения включены последовательно так, что магнитные потоки сердечников взаимно замыкаются. Измерительные обмотки феррозонда включены дифференциально, причем без внешнего постоянного поля сумма индуцированных э. д. с. в этих обмотках равна нулю. При наличии постоянного магнитного поля в э. д. с. появляются четные гармоники, по величине которых определяется это поле.
Феррозондный магнитометр состоит из двух одинаковых соленоидов, расположенных горизонтально один под другим, в один из которых помещают исследуемый образец. Дифференциальный феррозонд расположен между этими соленоидами. Магнитные поля соленоидов без образца взаимно компенсируются в объеме, где располагается феррозонд.
Для качественных измерений лучше использовать астатический феррозондный магнитометр. В этом варианте один феррозонд находится между соленоидами, а другой на расстоянии от первого в параллельной горизонтальной плоскости. Обмотки этих феррозондов включены последовательно навстречу друг другу.
При помощи феррозондного магнитометра можно определять кривую намагничивания, петлю гистерезиса и коэрцитивную силу магнитомягких материалов. Кривую намагничивания и петлю гистерезиса измеряют методом компенсации. С этой целью через компенсирующую обмотку пропускают ток, магнитное поле которого компенсирует поле намагниченного образца в районе расположения зонда. Чтобы измерить коэрцитивную силу, нужно намагнитить образец, а затем, увеличивая размагничивающее поле, свести к нулю показания индикаторного прибора. Простая схема и быстрый процесс измерения являются одним из преимуществ феррозондного магнитометра перед другими магнитометрами, которые будут описаны в главе V. В последнее время некоторые типы магнитных зондов начали применять для исследования магнитного поля в ускорителях и -спектрометрах . Описание зондов имеется также в работах .
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).
В магнитометрах этого типа магниточувствительным элементом является феррозонд, который представляет собой два тонких и длинных стержня из пермаллоя (железо-никелевый сплав - магнитомягкий ферромагнетик), на которые во взаимообратном направлении намотана первичная (возбуждающая) обмотка. Кроме того, оба сердечника вместе с первичной обмоткой охвачены вторичной (измерительной) обмоткой (рис.3.15 а). Магнитомягкие ферромагнетики характерны тем, что петля гистерезиса для них настолько узка, что ее можно рассматривать, как одну кривую (рис.3.15 б).
Рис. 3.15. Принцип действия феррозондового магнитометра
типа второй гармоники.
Принцип действия феррозонда состоит в следующем. С помощью внешнего источника через первичную (возбуждающую) обмотку пропускается ток частотой w (чаще всего 400 Гц). Если внешнее магнитное поле отсутствует, то исходная намагниченность сердечников равна нулю. При пропускании тока частотой w в каждый полупериод импульсы индукции в сердечниках направлены противоположно и компенсируют друг друга (рис.3.15 б). Поэтому общая индукция в ближайшем к сердечникам пространстве в каждый момент времени равна нулю и в измерительной обмотке сигнал не индуцируется, т.е. также равен нулю.
При появлении внешнего поля Т (которое необходимо измерить) в каждый полупериод это поле с индукцией одного из сердечников совпадает, а индукция другого сердечника направлена противоположно, что равносильно сдвигу индукции сердечников. Общая (суммарная В S) индукция в пространстве у сердечников, складываясь, образует переменный магнитный поток, изменяющийся с частотой 2w (рис.3.15. б). Этот поток индуцирует в измерительной обмотке электрический сигнал частотой 2w и амплитудой, пропорциональной «сдвигу» индукции в обмотках - внешнему намагничивающему полю Т.
Для измерения этого поля необходимо только выделить с помощью фильтра (Ф) сигнал частотой 2w (800 Гц), усилить его усилителем (У), определить знак поля (фазу) фазочувствительным детектором (ФЧД) и измерить его амплитуду измерителем (И). При этом прибор, измеряющий амплитуду сигнала, может быть проградуирован в единицах напряженности или индукции магнитного поля. Такой феррозонд называется «феррозонд типа второй гармоники».
Полезной для магнитных съемок особенностью такого феррозонда является то, что он может измерять составляющую напряженности магнитного поля, направленную по оси зонда. То есть, если поле Т будет направлено перпендикулярно сердечникам, то «сдвига» индукции в обмотках не будет и сигнала во вторичной обмотке не будет.
Эта особенность позволяет проводить так называемые компонентные измерения (т.е. измерения трех составляющих по осям) индукции магнитного поля, что относится к достоинствам метода. Недостатком метода является наличие смещения нуля прибора, что даже при высоком пороге чувствительности прибора в 1нТл не позволяет проводить измерения с высокой точностью.
Феррозонд имеет также другие наименования: зонд магнитного насыщения, магнитомодуляционный датчик (ММД). В зарубежной литературе он называется flux - date (флакс-гейт) - потокопропускающий.
